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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Kühlen des Innenraums
eines räumlich geschlossenen Elektronikschrankes mit darin
angeordnet mindestens einer elektronischen oder elektrischen Wärmequelle
und mindestens einer Kühleinrichtung sowie einer Vorrichtung
zum Umwälzen der Raumluft. Derartige Einrichtungen können
insbesondere für Elektronikschränke mit Servern
und entsprechend hohen Verlustleistungen eingesetzt werden.
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Stand der Technik
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Nach
dem Stand der Technik sind zum Kühlen des Innenraumes von
Elektronikschränken allgemein zwei Verfahren und entsprechende
Einrichtungen bekannt. Zum einen ist das die Luftkühlung
und zum anderen die Kühlung durch Umluft, die von einem
wassergekühlten Kühlaggregat gekühlt
wird. Der aktuelle Stand der Technik ist im Aufsatz "Effiziente
Elektronischrank-Klimatisierung", A. Pallasch, Anergie 2.0 Kompendium
2008/www.Energy20.net, umfassend beschrieben. Dargelegt
wird u. a. die Kühlung von Server-Schränken von
25 kW bis 40 kW Verlustleistung. Danach wird die reine Luftkühlung immer
mehr durch die Kühlung mit Luft-Wasser-Wärmetauschern
verdrängt.
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In
der
DE 91 12 958 U1 wird
ein Kühlgerät zur Luftkühlung für
Elektronikschränke mit einem flachen, quaderförmigen
Gehäuse zum Anbau an eine Seitenwand des zu kühlenden
Elektronikschrankes angegeben. Ein nach dem Gegen strombetrieb arbeitender
Wärmetauscher besteht aus einem Paket von gleichen, parallelen
Strangpressprofilen mit Doppel-T-Querschnitt. An den Stirnseiten
des Wärmetauschers sind querverlaufende Stecknuten vorgesehen,
in die korrespondierende Steckleisten an Abluftkrümmern
eingreifen. Zur Kühlung der Luft im Elektronikschrank ist
wenigstens ein elektrisches Gebläse vorhanden, welches
die Umgebungsluft durch den Wärmetauscher transportiert,
wo der Wärmeaustausch mit der Kühlluft erfolgt.
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In
der
DE 32 40 124 C wird
ein Kühlgerät mit einem Kälteaggregat
für einen isolierten Kühlraum für zu
kühlende Gegenstände beschrieben. Der Kühlraum
ist wärmeisoliert ausgeführt und nach einem unten
vorgesehenen Maschinenraum mittels einer demontierbaren Isolierplatte
abgetrennt. Die Baugruppen Kompressor und Verflüssiger
des Kühlaggregates sind im Maschinenraum und der Verdampfer
als Lammellenverdampfer ist innerhalb des Kühlraumes angeordnet.
Ein Querstromlüfter wälzt die Raumluft im Kühlraum
durch den Lammellenverdampfer hindurch um.
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Die
Lösungen des Standes der Technik erweisen sich in der Praxis
vielfach als sehr problemetisch. Luftkühlungen erfordern
einen sehr hohen Luftumsatz mit den Folgen, dass Staub aufgewirbelt wird
und, insbesondere bei Elektronikschränken mit höherer
Verlustleistung in Form von Wärme, die die elektronischen
Einrichtungen stark beeinträchtigt werden können.
Bei Wasser-Luftkühlungen kommt zusätzlich das
Problem hinzu, dass ein möglicher Wasseraustritt zu einer
erheblichen Havarie führen kann. Ein weiteres Problem besteht
darin, dass die aus den Elektronikschränken abzuführende
Wärme die Umgebungsräume stark erwärmt
oder zur Abführung der Wärme nach außen
große Rohrquerschnitte erforderlich sind.
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Aufgabenstellung
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Der
Erfindung liegt damit als Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum
wirksamen Kühlen des Innenraums eines Elektronikschrankes
anzugeben, mit denen auch größere Wärmemengen
abgeführt werden können, ohne dass die Umgebungstemperatur
wesentlich erhöht wird.
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Die
Erfindung löst die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen
Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend zusammen
mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung,
einschließlich der Zeichnung, näher dargestellt.
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Der
Kern der Erfindung besteht darin, dass als Kühleinrichtung
im Innenraums eines räumlich geschlossenen Elektronikschrankes
der Verdampfer einer Kälteanlage vorhanden ist und der
Verdichter und der Verflüssiger der Kälteanlage
außerhalb des Elektronikschrankes angeordnet sind. Die
Verbindung zwischen dem Verdampfer und den räumlich getrennt
vom Elektronikschrank montierten Verdichter und Verflüssiger
der Kälteanlage erfolgt durch Kältemittelleitungen.
Der Verdampfer im Elektronikschrank ist von einem Kühlkanal
umschlossen, derart dass die umgewälzte Raumluft des Elektronikschrankes
innerhalb des Kühlkanals unmittelbar mit den Kühlflächen
des Verdampfers in Berührung kommt. Zur wirkungsvollen
Umwälzung der Raumluft im Innenraum des räumlich
geschlossenen Elektronikschrankes zum Kühlen der darin
angeordneten elektronischen und/oder elektrischen Wärmequellen
sind bekannte, geeignete Leiteinrichtungen und Gebläse vorhanden.
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In
der Kältemittelleitung zum Verdampfer ist in als solcher
bekannten Weise ein Expansionsventil mit einer Betätigungseinrichtung
angeordnet. Erfindungsgemäß ist eine digitale
Regeleinheit zur Regelung der Kühlleistung mit einem elektronischen
Speicher für technologisch vorgegebenen Prozessdaten vorgesehen,
die mit der Betätigungseinrichtung verbunden ist. Die Regeleinheit
ist mit einer Vielzahl von Signalgebern am Verdampfer verbunden,
deren Signalgeber mit der digitalen Regeleinheit verbunden sind.
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So
sind in vorteilhafter Weise am Verdampfer im Bereich des Kältemitteleinganges
und des Kältemittelausganges sowie im mittleren Bereich
Temperaturmessfühler vorhanden. Von besonderer Bedeutung
ist ein im oberen Bereich des Elektronikschrankes vorgesehener Taupunktfühler.
Weiterhin sind am Lufteintritt und am Luftaustritt des Kühlkanals
Temperaturmessfühler vorgesehen.
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Der
Verdampfer kann in eine Vielzahl von Verdampfersegmenten mit je
einem Kältemitteleingang und je einem Kältemittelausgang
unterteilt sein, wobei zwischen dem Expansionsventil und dem Verdampfer
ein Kältemittelverteiler mit einer entsprechenden Vielzahl
von Ausströmleitungen vorhanden ist und jeder Kältemitteleingang
mit je einer Ausströmleitung verbunden ist. Die Kältemittelausgänge der
Verdampfersegmente können mit einer Kältemittel-Sammelleitung
verbunden sein.
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In
Anwendung der Einrichtung werden die aktuellen Temperaturen im Bereich
des Kältemitteleinganges und des Kältemittelausganges
sowie an einer Vielzahl von weiteren Punkten am Verdampfer sowie
der umgewälzten Raumluft im Elektronikschrank in Strömungsrichtung
vor und hinter dem Verdampfer gemessen. Die aktuelle Taupunkttemperatur
wird im oberen Bereich des Elektronikschrankes gemessen. Die jeweiligen
Messwertsignale werden der digitalen Regeleinheit zugeführt
und in der Regeleinheit wird auf der Grundlage der technologisch
vorgegebenen Prozessdaten sowie der Messwertsignale die aktuell
erforderliche Kälteleistung ermittelt. In der Folge wird
die dafür erforderliche Menge eines Kältemittels
dem Verdampfer zugeführt.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Zugehörig zeigt 1 eine
Schnittzeichnung durch einen Elektronikschrank mit der erfindungsgemäßen
Einrichtung zum Kühlen dessen Innenraumes. 2 zeigt
zugehörige zur Anordnung nach 1 das Schaltschema
der Einrichtung.
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Im
Ausführungsbeispiel nach 1 ist ein Elektronikschrank 1 mit
einer Vielzahl von Elektronikeinschüben 2 ausgerüstet,
wobei es sich bei einzelnen Elektronikeinschüben 2 auch
um reine Elektroeinschübe handeln kann. Die Elektronikeinschübe 2 sind
an einer Trennwand 3 gehaltert, die als Thermotrennwand
ausgeführt ist, d. h. der Zuluftraum 4 ist gegenüber
dem Elektronikraum 5 möglichst derart thermisch
getrennt bzw. verbunden ist, dass eine Verbindung des Zuluftraumes 4 mit
dem Elektronikraum 5 nur über Öffnungen
im Bereich der Elektronikeinschübe 2 gegeben ist.
D. h. umwälzende Raumluft 6 muss zwangsgeleitet
durch die Elektronikeinschübe 2 hindurch strömen.
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Erfindungsgemäß ist
eine externe Kälteanlage 8 vorgesehen, dessen
Verdampfer 7 im unteren Bereich des Elektronikschrankes 2 angeordnet
ist. Der Verdampfer 7 ist über beispielsweise
zwei Lüfter 9 derart im Kreislauf der umwälzenden
Raumluft 6 eingebunden, dass die durch die Elektronikeinschübe 2 hindurch
umwälzende und dabei erwärmte Raumluft 6 auf
der einen Seite in den Strömungskanal des als Lamellenkühler
ausgeführten Verdampfers 7 einströmt
und auf der anderen Seite als gekühlte Luft wieder ausströmt.
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Kältetechnisch
ist der Verdampfer 7 mit der externen Kälteanlage 8 über
eine Kältemittelvorlaufleitung 10 und eine Kältemittelrücklaufleitung 11 verbunden.
Im Ausführungsbeispiel sind diese Leitungen in einem isolierten
Kanal innerhalb des Fußbodens 12 verlegt. Die
neben dem Verdampfer 7 zur Kälteanlage 8 gehörigen
wesentlichen Baugruppen Verdichter 13 und Verflüssiger 14 befinden
sich innerhalb der 1 in der Position Kälteanlage 8.
Die zwangsweise anfallende Abwärme 15 wird durch
die Gebäudewand 16 ins Freie geleitet. Ein weiteres
wesentliches Bauteil einer Kälteanlage ist das Expansionsventil.
Dieses ist in 1 zugehörig zum Verdampfer 7 nicht
näher dargestellt, sondern nur im Schaltschema nach 2.
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In 2 ist
das Schaltschema der erfindungsgemäßen Einrichtung
dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Die
Baugruppen Verdichter 13 und Verflüssiger 14 der
Kälteanlage 8 sind in einer kompakten Einheit
zusammengefasst. Zugehörig ist ein Lüfter 33 mit
einem Dreh zahlregler 19, ein Niederdruckschalter 20 vor
dem Verdichter 13 und ein Hochdruckschalter 21 zwischen
Verdichter 13 und Verflüssiger 14 sowie
ein Kältemittelsammler 22.
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Der
innerhalb des Elektronikschrankes 1 angeordnete Verdampfer 7 ist
beispielhaft in sechs Verdampfersegmente 7 unterteilt.
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Die
Verbindung zwischen dem Kältemittelsammler 22 und
dem Verdampfer 7 erfolgt über die Kältemittelvorlaufleitung 10 und
die Kältemittelrücklaufleitung 11. In
der Kältemittelvorlaufleitung 10 ist ein Handventil 23 und
vor dem Verdampfer 7 ist ein Expansionsventil 24 mit
einer Betätigungseinrichtung 25 vorgesehen. Mit
Bezug auf die sechs Verdampfersegmente 7' ist nach dem
Expansionsventil 24 ein Kältemittel-Verteiler 26 mit
sechs Verteilerleitungen 17 vorhanden, deren Auslassöffnungen
mit den parallelen Kältemittel-Eingangsöffnungen
der sechs Verdampfersegmente 7' verbunden sind.
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Die
Kältemittelrücklaufleitung 11 verbindet die
Kältemittel-Sammelleitung 18 mit dem Verdichter 13.
Vor dem Verdichter 13 befindet sich ein Handventil 27 und
der Niederdruckschalter 20.
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Die
räumliche Entfernung zwischen der Kälteanlage 8 und
dem Elektronikschrank 1 mit dem Verdampfer 7 kann
in der Praxis durchaus einige Meter betragen. Die kältetechnische
Verbindung über handelsübliche Kältemittel-Rohrverbinder 28,
die jeweils nahe der Baugruppen Kälteanlage 8 und
Verdampfer 7 vorgesehen sind.
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Neben
der kältetechnischen Ausrüstung ist erfindungs gemäß eine
digitale Regeleinheit 29 mit einem elektronischen Speicher
für technologisch vorgegebenen Prozessdaten zur Regelung
der Kühlleistung vorhanden. Die digitale Regeleinheit 29 ist
mit einer Vielzahl von Signalgebern am Verdampfer 7 verbunden.
Die Verbindungsleitungen sind in 1 und 2 lediglich
schematisch dargestellt und mit der Position Verbindungsleitung 30 gekennzeichnet.
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Die
Vielzahl von Signalgebern ist an die spezifischen Erfordernisse
in der konkreten Anwendung angepasst. Im Ausführungsbeispiel
sind mehrere Temperaturfühler insbesondere am Lufteintritt
und am Luftaustritt des als Kühlkanal fungierenden Verdampfers 7,
im Bereich des Kältemitteleinganges und des Kältemittelausganges
sowie im mittleren Bereich des Verdampfers 7 vorgesehen.
Von besonderer Bedeutung ist auch ein Taupunktfühler 32,
der im oberen Bereich des Elektronikschrankes vorhanden ist und
dessen Signalgeber ebenfalls mit der digitalen Regeleinheit 29 verbunden
ist.
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Im
Ergebnis der Rechenprozesse der digitalen Regeleinheit 29 wird
als wesentliches Signal über die Verbindungsleitung 31 die
Festlegung des aktuellen Öffnungsgrades des Expansionsventils 24 der Betätigungseinrichtung 25 zugeführt.
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung wird nachfolgend
in der Anwendung näher beschrieben. Ein Elektronikschrank 1 mit
den Elektronikeinschüben 2 der Größe
19 Zoll produziert im Betrieb eine Verlustleistung in Form von Wärme
von ca. 7 kW. Das ist eine erhebliche Wärmemenge, die mit
der erfindungsgemäßen Einrichtung an die Außenluft
abgeführt werden soll. Aufgabengemäß ist
eine Kälteanlage 8 vorhanden, die eine Spitzenleistung
von ca. 10 kW Kälteleistung gewährleistet.
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Es
werden die Temperaturen im Bereich des Kältemitteleinganges
und des Kältemittelausganges sowie an einer Vielzahl von
weiteren Punkten am Verdampfer 7, die Temperatur der umgewälzten Raumluft
im Elektronikschrank 1 in Strömungsrichtung vor
und hinter dem Verdampfer 7 sowie die aktuelle Taupunkttemperatur
im oberen Bereich des Elektronikschrankes am Taupunktfühler 32 gemessen
und die jeweiligen Messwertsignale der digitalen Regeleinheit 29 zugeführt.
In der digitalen Regeleinheit 29 wird auf der Grundlage
der technologisch vorgegebenen Prozessdaten sowie der Messwertsignale
die aktuell erforderliche Kälteleistung ermittelt. Die dafür
erforderliche Menge eines Kältemittels wird dem Verdampfer
zugeführt, indem im Ergebnis der Rechenprozesse der digitalen
Regeleinheit 29 über die Verbindungsleitung 31 zur
Festlegung des aktuellen Öffnungsgrades des Expansionsventils 24 die Betätigungseinrichtung 25 entsprechend
gesteuert wird.
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Beispielhaft
wird die Kälteanlage 8 derart gesteuert, dass
die mittlere Temperatur des Verdampfers 7 zwischen 10 und
12°C liegt. Die Temperatur der umgewälzten Raumluft
im Elektronikschrank 1 kann damit im Elektronikraum 5 in
einem Bereich unter 28°C gehalten werden, was für
die meisten Einsatzgebiete völlig ausreichend ist. Die
Wärme wird über den Kühlmittelkreislauf
mit der Kältemittelrücklaufleitung 11 zur
Kälteanlage 8 mit dem Verdichter 13 und
Verflüssiger 14 über den Lüfter 33 an
die Außenluft abgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 9112958
U1 [0003]
- - DE 3240124 C [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - "Effiziente
Elektronischrank-Klimatisierung", A. Pallasch, Anergie 2.0 Kompendium 2008/www.Energy20.net [0002]