DE202011105395U1

DE202011105395U1 - Regelungsvorrichtung zur Regelung einer Kühlleistung

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Publication number: DE202011105395U1
Application number: DE201120105395
Authority: DE
Original assignee: Knuerr GmbH
Current assignee: Vertiv Integrated Systems GmbH
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2011-11-15
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: EP2568794A3; EP2568794A2

Abstract

Regelungsvorrichtung zur Regelung der Kühlleistung einer Kühleinrichtung eines Schrankes zur Aufnahme elektrischer und elektronischer Geräte,
wobei die Kühleinrichtung
– einen Luft/Fluid-Wärmetauscher (15) zum Kühlen von durch elektrische und/oder elektronische Geräte im Schrank erwärmter Luft,
– eine Zuflussleitung (14) zum Leiten eines Kühlfluids (11) zu dem Luft/Fluid-Wärmetauscher (15), eine Rückflussleitung (16) zum Leiten von erwärmtem Kühlfluid (11) aus dem Luft/Fiuid-Wärmetauscher (15) und
– einen Durchflussbegrenzer zum Einstellen einer Durchflussmenge des Kühlfluids (11) aufweist,
wobei die Regelungsvorrichtung eine Regel- und Auswerteeinrichtung zum Einstellen des Durchflussbegrenzers aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
– dass ein Temperaturerfasser zum Erfassen der Temperatur des Kühlfluids (11) in der Ausflussleitung (16) vorgesehen ist und
– dass die Regel- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, den Durchflussbegrenzer abhängig von einer von dem Temperaturerfasser erfassten Temperatur des Kühlfluids (11) zur Regelung der Durchflussmenge des Kühlfluids (11) einzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich in einem Aspekt auf eine Regelungsvorrichtung zur Regelung der Kühlleistung einer Kühleinrichtung eines Schrankes zur Aufnahme elektrischer und elektronischer Geräte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In weiteren Gesichtspunkten betrifft die Erfindung eine Kühlvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13 und einen Schrank zur Aufnahme elektrischer und elektronischer Geräte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
Bei einer bekannten Regelungsvorrichtung zur Regelung der Kühlleistung einer Kühleinrichtung eines Schrankes zur Aufnahme elektrischer und elektronischer Geräte, bei der die Kühleinrichtung einen Luft/Fluid-Wärmetauscher zum Kühlen von durch elektrische und/oder elektronische Geräte im Schrank erwärmter Luft, eine Zuflussleitung zum Leiten eines Kühlfluids zu dem Luft/Fluid-Wärmetauscher, eine Ausflussleitung zum Leiten von erwärmtem Kühlfluid aus dem Luft/Fluid-Wärmetauscher und einen Durchflussbegrenzer zum Einstellen einer Durchflussmenge des Kühlfluids aufweist, weist die Regelungsvorrichtung eine Regel- und Auswerteeinrichtung zum Einstellen des Durchflussbegrenzers auf.
Eine gattungsgemäße Kühlvorrichtung für einen Schrank zur Aufnahme elektrischer und elektronischer Geräte weist eine Kühleinrichtung mit einem Luft/Fluid-Wärmetauscher zum Kühlen von durch elektrische und/oder elektronische Geräte im Schrank erwärmter Luft, einer Zuflussleitung zum Leiten eines Kühlfluids zu dem Luft/Fluid-Wärmetauscher, einer Ausflussleitung zum Leiten von erwärmtem Kühlfluid aus dem Luft/Fluid-Wärmetauscher und einem Durchflussbegrenzer zum Einstellen einer Durchflussmenge des Kühlfluids auf.
Eine solche Kühlvorrichtung ist beispielsweise aus DE 10 2007 061 966 B4 bekannt. Die Kühlleistung kann dort über einen Luftstrom eingestellt werden, wozu einem Benutzer zugängliche Strömungsventile vorhanden sind.
Ein Einsatzgebiet derartiger Kühlvorrichtungen stellen beispielsweise Serverfarmen dar, bei denen mehrere Schränke zur Aufnahme elektrischer und elektronischer Geräte in Reihen aufgestellt sind. Auf einer Seite der Reihe an Schränken wird ein Kaltgang gebildet, dem gekühlte Luft zugeführt wird. Die gekühlte Luft wird in die Schränke geführt und dort zur Kühlung der elektrischen und elektronischen Geräte genutzt. Die so erwärmte Luft wird auf der gegenüberliegenden Schrankseite in einen Warmgang abgegeben. Die Luft im Warmgang soll jedoch nicht übermäßig heiß sein. Daher können die vorstehend beschriebenen Regelungs- und Kühlvorrichtungen zur Kühlung der aus dem Schrank abgegebenen oder abzugebenden Luft eingesetzt werden.
Bei einem alternativen Einsatzgebiet wird die Kühlvorrichtung zur Kühlung der Luft im Schrank verwendet, um so die elektrischen und elektronischen Geräte zu kühlen. Hierbei kann der Schrank zum Bilden eines geschlossenen Kreislaufs der Luft im Schrank im Wesentlichen luftdicht sein.
Ein grundlegendes Ziel bei gattungsgemäßen Regelungsvorrichtungen und Kühlvorrichtungen ist es, den Durchfluss des Kühlfluids an eine benötigte Kühlleistung anzupassen. Diese Kühlleistung wird zum Kühlen der Luft einer Umgebung verwendet. Die so gekühlte Luft kann dann beispielsweise in einen Warmgang eines Serverzentrums abgegeben werden. Bei einer alternativen Anordnung können mit der gekühlten Luft elektrische und elektronische Geräte, wie zum Beispiel Server, in einem Geräteschrank gekühlt werden.
Bei herkömmlichen Regelungsvorrichtungen und Kühlvorrichtungen wird die Kühlleistung abhängig von einer Lufttemperatur angepasst. Dabei ist die Luft in der Regel die Raumluft oder Serverkühlluft. Bei steigender Lufttemperatur wird der Durchfluss des Kühlfluids in der Kühlvorrichtung erhöht.
Die Regelungsvorrichtungen zur Regelung der Kühlleistung einer Kühleinrichtung werden beim Stand der Technik mit elektrischen oder hydraulischen Antrieben ausgerüstet. Diese benötigen sowohl für das Führungssignal, nämlich die gemessene Lufttemperatur, als auch für die Versorgung des Antriebs elektrische Energie, welche auch als Hilfsenergie bezeichnet werden kann.
Bei der Nutzung der Lufttemperatur als Führungsgröße ist es nachteilig, dass ein Anbringen eines Temperaturfühlers, oder in der Regel mehrerer Temperaturfühler, an den für die Temperaturmessung relevanten Stellen erforderlich ist. Wird der Temperaturfühler an einer ungeeigneten Stelle angebracht, wird die Temperatur an den zu kühlenden Geräten auf einen zu hohen oder zu niedrigen Wert geregelt. Verschärft wird dieses Problem bei Systemen, bei denen die relevante Stelle zur Temperaturmessung ortsveränderlich ist. Dies kann insbesondere bei Kühlsystemen mit großer Luftaustrittsfläche oder bei solchen, die in einer dynamischen Wechselwirkung zueinander stehen, der Fall sein. Mit einem ortsfest angebrachten Temperaturfühler ist dann die Bestimmung des tatsächlichen Kühlbedarfs kaum möglich. Wird die Temperatur auf einen zu hohen Wert geregelt, wirkt sich dies nachteilig auf die Lebensdauer der zu kühlenden Geräte aus. Eine zu niedrige Temperatur stellt einen unnötigen Energieaufwand dar und kann außerdem zur Entstehung von Tauwasser führen.
Einen weiteren Nachteil bei den bekannten Regelungsvorrichtungen und Kühlvorrichtungen stellt der hohe elektrotechnische Aufwand dar. Es muss Hilfsenergie bereitgestellt werden, die Regelungsvorrichtungen müssen in die Regelstrecke integriert werden und die an verschiedenen Messstellen ermittelten Temperaturen müssen adäquat berücksichtigt, also logisch verknüpft, werden. Dies ist mit höheren Kosten und zusätzlichem Zeitaufwand zur Installation der Temperatursensoren verbunden.
Als eine Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, eine Regelungsvorrichtung, eine Kühlvorrichtung und einen Schrank zur Aufnahme elektrischer und elektronischer Geräte anzugeben, bei denen eine Regelung eines Durchflusses eines Kühlfluids abhängig von einer benötigten Kühlleistung in besonders einfacher, zuverlässiger und kostengünstiger Weise ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die Regelungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch die Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 sowie durch den Schrank zur Aufnahme elektrischer und elektronischer Geräte mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden außerdem in der folgenden Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, beschrieben.
Bei der Regelungsvorrichtung der oben genannten Art ist erfindungsgemäß ein Temperaturerfasser zum Erfassen der Temperatur des Kühlfluids in der Ausflussleitung vorgesehen und die Regel- und Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, den Durchflussbegrenzer abhängig von einer von dem Temperaturerfasser erfassten Temperatur des Kühlfluids zur Regelung der Durchflussmenge des Kühlfluids einzustellen.
Als ein Kerngedanke der Erfindung kann angesehen werden, dass abhängig von der Temperatur des Kühlfluids der Durchfluss des Kühlfluids und somit die aufgebrachte Kühlleistung geregelt wird. Eine Messung der Lufttemperatur an einer zu kühlenden Umgebung ist somit nicht erforderlich. Vorteilhafterweise kann dadurch eine punktuelle Luftmessung und eine logische Verknüpfung von Lufttemperatursensoren entfallen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass mit einer steigenden Temperatur der zu kühlenden Umgebung auch das Kühlfluid von der Umgebung stärker erwärmt wird. Daher kann die Temperatur des Kühlfluids als Maß für die Umgebungstemperatur verwendet werden. Damit die Temperatur der zu kühlenden Umgebung innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs liegt, wird erfindungsgemäß die Kühlleistung über den Durchfluss des Kühlfluids geregelt. Hierzu kann der Durchflussbegrenzer eingestellt werden. Mit diesem kann die Durchflussmenge zwischen einem maximalen und einem minimalen Wert verändert werden, insbesondere stetig oder stufenweise.
Der Temperaturerfasser kann in oder an der Rückflussleitung angebracht sein und grundsätzlich beliebiger Art sein. Stellt der Temperaturerfasser eine erhöhte Temperatur des Kühlfluids in der Ausflussleitung fest, kann auf eine erhöhte Temperatur der zu kühlenden Umgebung geschlossen werden. Deshalb stellt die Regel- und Auswerteeinheit sodann den Durchflussbegrenzer derart ein, dass eine höhere Durchflussmenge des Kühlfluids zu dem Luft/Fluid-Wärmetauscher gelangt. Bei einer erniedrigten Temperatur des Kühlfluids kann hingegen die Durchflussmenge mittels des Durchflussbegrenzers reduziert werden.
Der Durchflussbegrenzer kann bei einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung in oder an der Zuflussleitung angeordnet sein. Bei einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung ist der Durchflussbegrenzer hingegen in oder an der Rückflussleitung angeordnet. In beiden Fällen kann die Durchflussmenge in leichter Weise geregelt werden.
Grundsätzlich kann der Durchflussbegrenzer mit Hilfsenergie angetrieben wird. Insbesondere bei hohen Durchflussmengen ist dies bevorzugt. Bei einer kostengünstigen Ausführungsvariante der Erfindung kann hingegen der Durchflussbegrenzer und/oder die Regelungsvorrichtung hilfsenergiefrei arbeiten.
In diesem Fall kann der Durchflussbegrenzer dazu ausgestaltet sein, seine Position oder Form direkt abhängig von der Temperatur des Kühlfluids zu variieren. Hierzu kann er zumindest eine Komponente aufweisen, die bei einer Temperaturänderung des Kühlfluids eine thermisch definierte Längenänderung erfährt. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung ist der Temperaturerfasser somit zumindest teilweise mittels des Durchflussbegrenzers ausgebildet. Vorteilhafterweise kann damit eine hilfsenergiefreie Regelung eingerichtet werden. Zudem kann der Installationsaufwand verringert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung sind der Temperaturerfasser, der Durchflussbegrenzer und die Regel- und Auswerteeinrichtung zumindest teilweise mittels eines Ventils zur temperaturabhängigen Regelung eines Durchflusses eines Kühlfluids ausgebildet, welches einen Durchgang zum Durchfluss des Kühlfluids, einen Absperrkörper, dessen Position den Durchfluss durch den Durchgang einstellt, und einen Aktor zum Regeln der Position des Absperrkörpers aufweist. Der Aktor weist zum Regeln der Position des Absperrkörpers eine thermisch definierte Längenänderung auf und ist in einem Bereich angeordnet, der beim Durchfluss des Kühlfluids von diesem mindestens teilweise durchströmt ist.
Somit erfolgt die temperaturabhängige Regelung durch einen Aktor, der sich abhängig von seiner Temperatur beziehungsweise der Temperatur des umströmenden Kühlfluids verstellt. Daher muss dem Aktor vorteilhafterweise nicht zwingend Energie von einer externen Quelle zugeführt werden. Der Aktor ist so angeordnet, dass er im Betrieb des Ventils in Kontakt mit dem durchfließenden Kühlfluid kommt beziehungsweise steht und somit weitestgehend die Temperatur des Kühlfluids annimmt. Eine Temperaturänderung des Kühlfluids fühlt zu einer Längenänderung des Aktors. Hierdurch übt der Aktor einen Druck oder einen Zug auf den Absperrkörper aus und stellt so dessen Position relativ zum Durchgang ein.
Vorteilhafterweise ist die Errichtung einer elektrotechnischen Anlage, welche mehrere Temperatursensoren an den elektrischen und elektronischen Geräten, Schaltungen zur Auswertung der gemessenen Temperaturen und Motoren zum Betätigen der Ventile umfassen kann, nicht erforderlich.
Der Begriff „Durchfluss des Kühlfluids” kann im Sinne der Erfindung als Volumenstrom, also Volumen pro Zeit oder auch als Massenstrom verstanden werden.
Das Kühlfluid kann eine beliebige Flüssigkeit oder ein beliebiges Gas sein. Vorzugsweise handelt es sich um Wasser. Das Kühlfluid kann gekühlt sein, was prinzipiell nicht notwendig ist, jedoch die Kühlleistung des Wärmetauschers erhöht.
Unter der thermisch definierten Längenänderung des Aktors kann verstanden werden, dass die Länge des Aktors temperaturabhängig ist. Dabei kann die Längenänderung des Aktors derart gewählt werden, dass zumindest in einem bestimmten Temperaturbereich der Aktor mit steigender Temperatur den Absperrkörper in Richtung einer Öffnungsposition bewegt, so dass der Durchfluss erhöht wird. Mit sinkender Temperatur wird dann der Absperrkörper in Richtung einer Schließposition, in welcher der Durchfluss durch den Durchgang reduziert wird, bewegt.
Bei dem Absperrkörper kann es sich um einen Ventilkegel handeln, der den Durchgang, der durch einen Ventilsitz gebildet sein kann, in einer Schließposition komplett verschließen kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Durchflussbegrenzer beziehungsweise der Aktor ein Dehnstoffelement. Dieses kann ein Gehäuse aufweisen, welches mit einem Dehnstoff, wie zum Beispiel Wachs, Paraffin oder Öl, gefüllt ist. Das Volumen des Dehnstoffs kann temperaturabhängig sein. Durch das Gehäuse kann eine Volumenänderung in eine Längenänderung des Dehnstoffelements überführt werden. Vorzugsweise ist das Dehnstoffelement so angeordnet, dass dessen Längenänderung in die Richtung einer Verbindungslinie zwischen dem Absperrkörper und dem Durchgang zeigt. Hierzu kann das Dehnstoffelement in Richtung des Absperrkörpers elastisch ausgeführt sein, beispielsweise über eine Membran oder einen Elastomereinsatz.
Bei einer vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung erfolgt durch die Längenänderung des Aktors eine stetige Änderung der Position des Absperrkörpers. Hierdurch wird der Durchfluss des Kühlfluids stetig verändert und kann eine beliebige Größe zwischen einem maximalen und einem minimalen Durchfluss einnehmen. Der minimale Durchfluss kann auch null sein, beispielsweise bei einer Sperrung des Durchgangs des Ventils.
Insbesondere um eine definierte Stellung des Absperrkörpers zu erreichen, ist die folgende Ausführung des erfindungsgemäßen Ventils vorteilhaft. Bei dieser ist eine Feder vorgesehen, welche eine Kraft auf den Absperrkörper in Richtung des Durchgangs ausübt. Durch die Feder, die auch als Rückstellfeder angesehen werden kann, wird auch dann eine definierte Stellung des Absperrkörpers erreicht, wenn sich das Dehnstoffelement zusammenzieht. Die Kraftausübung der Feder kann ein Drücken oder auch ein Ziehen in Richtung der Bewegungsmöglichkeit der Feder sein. Bevorzugt sind die Feder und der Aktor auf gegenüberliegenden Seiten des Absperrkörpers angeordnet.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung ist eine Einstelleinrichtung, insbesondere mit einer Gewindestange, zum Einstellen einer Position des Absperrkörpers vorgesehen. Mit der Einstelleinrichtung kann ein Benutzer manuell oder über einen fernsteuerbaren Motor einen gewünschten Durchfluss für die aktuell vorhandene Temperatur einstellen. Dabei ist es auch möglich, dass die Einstelleinrichtung den Abstand zwischen dem Aktor und dem Durchgang oder dem Absperrkörper einstellt. Über den Abstand kann eine notwendige Längenänderung eingestellt werden, ab welcher der Aktor den Abstellkörper in Richtung des Durchgangs drückt. Das heißt, es kann eine Schwellentemperatur eingestellt werden, ab welcher eine Regelwirkung einsetzt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass mit der Einstelleinrichtung die Position der Feder veränderbar ist. Somit kann durch die Einstelleinrichtung eine gewünschte Temperatur des Kühlfluids und damit die Kühlleistung eingestellt werden.
Eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in einer Schließposition des Absperrkörpers der Durchgang im Wesentlichen versperrt und in einer Öffnungsposition freigegeben ist und dass der Aktor so beschaffen ist, dass eine Längenänderung des Aktors, durch welche der Absperrkörper zwischen der Schließposition und der Öffnungsposition bewegt wird, innerhalb von einem Temperaturbereich erfolgt, welcher kleiner als 10°C, vorzugsweise kleiner 6°C und besonders bevorzugt kleiner als 3°C ist. Hier sind ein Dehnstoff beziehungsweise ein Dehnkoeffizient des Aktors passend für die gewünschte Längenänderung gewählt. Vorteilhafterweise wird durch einen relativ kleinen Temperaturbereich eine vergleichsweise präzise Temperaturschwelle bereitgestellt. Innerhalb des Temperaturbereichs um die Schwelle ändert sich der Durchfluss und damit die Kühlleistung zwischen einem sehr kleinen und einem sehr großen Wert. Dies kann als ein Springen der Höhe des Durchflusses angesehen werden.
Das Material des Dehnstoffs kann so gewählt sein, dass es innerhalb des gewünschten Temperaturbereichs einen Phasenübergang durchläuft. Hierdurch ist an einer wohl definierten Temperaturschwelle eine besonders große Längenänderung möglich.
Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass die Längenänderung des Aktors zumindest über einen bestimmten Temperaturbereich im Wesentlichen lineartemperaturabhängig ist. Vorteilhafterweise kann hiermit eine stetige Änderung zwischen geringem und großem Durchfluss erfolgen. Der Temperaturbereich kann beispielswelse ein 20°C-Bereich sein, welcher zwischen 0°C und 60°C liegen kann. Die Längenänderung kann statt lineartemperaturabhängig auch etwa proportional zum Quadrat oder zur Wurzel einer Temperaturänderung sein. Hierzu kann der Aktor verschiedene Dehnstoffe aufweisen, deren Phasenübergänge insbesondere bei verschiedenen Temperaturen eintreten.
Eine bevorzugte Variante der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsvorrichtung hilfsenergiefrei arbeitet. indem der Aktor selbst die zu regelnde Temperatur erfasst, muss dem Ventil keine Energie zur Übermittlung eines Temperatursignals zugeführt werden. Zudem wird die Bewegung des Aktors durch die Temperatur des Kühlfluids veranlasst, so dass auch hierfür keine Zufuhr externer Energie erforderlich ist. Vortellhafterweise wird hierdurch der Aufbau erheblich vereinfacht.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung ist der Aktor stromabwärts zu dem Durchgang angeordnet. Bei einer Ausdehnung des Aktors aufgrund einer steigenden Temperatur des Kühlfluids drückt der Aktor dann den Absperrkörper entgegen dem Strömungsdruck des Kühlfluids.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass der Aktor frei beweglich zu dem Absperrkörper ausgeführt ist. In diesem Fall kann nur ein Drücken des Aktors gegen den Absperrkörper, nicht aber ein Ziehen, erfolgen. Für eine Rückbewegung des Absperrkörpers kann dann eine Rückstellfeder und/oder der Strömungsdruck des Kühlfluids genutzt werden.
Bevorzugt ist aber der Aktor mit dem Absperrkörper verbunden. Hierdurch kann der Absperrkörper von dem Aktor sowohl in Richtung des Durchgangs wie auch in Gegenrichtung bewegt werden. Der Aktor und der Absperrkörper können auch als eine einzige Einrichtung ausgeführt sein, deren Länge temperaturabhängig ist und so den Durchfluss durch den Durchgang steuern kann.
Bei der Kühlvorrichtung der oben genannten Art ist erfindungsgemäß eine Regelungsvorrichtung, wie vorstehend beschrieben, vorgesehen. In den Ausführungen, bei denen die Regelungsvorrichtung ein Ventil zur temperaturabhängigen Regelung eines Durchflusses eines Kühlfluids aufweist, ist das Ventil in der Ausflussleitung angeordnet ist. Hierbei kann das Ventil den Durchfluss des Kühlfluids durch den Luft/Fluid-Wärmetauscher steuern. Indem das Ventil stromabwärts zu dem Luft/Fluid-Wärmetauscher angeordnet ist, handelt es sich bei der Regelgröße des Ventils um die Temperatur des erwärmten Kühlfluids. Dieses Fluid wurde im Luft/Fluid-Wärmetauscher und somit durch die Umgebungsluft erwärmt. Die Erwärmung des Kühlfluids ist somit abhängig von der Temperatur der zu kühlenden Luft beziehungsweise der zu kühlenden Geräte im Schrank. Folglich wird durch die Regelung gemäß der Erfindung eine im Wesentlichen konstante Lufttemperatur im Schrank erreicht. Vorteilhafterweise ist hierzu keine Messung der Lufttemperatur im Schrank erforderlich. Die Regelung hängt also nicht mehr von der Wahl eines Messorts für eine Lufttemperatur im Schrank ab.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Schrank zur Aufnahme elektrischer und elektronischer Geräte, welcher eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung aufweist. Bei dem Schrank kann es sich um einen Geräteschrank zum Aufstellen im Freien oder in geschlossenen Räumen, insbesondere für Serverfarmen, handeln.
Diese Schränke werden auch als Cabinets, Enclosures, Shelters oder Racks bezeichnet. Weitere Verwendung finden diese Schränke beispielsweise als Elektronikschränke bei Bahnanlagen, für Telekommunikationseinrichtungen und für Umwelt-, Verkehrs-, Prozessmess-, Kontroll- und Regeleinrichtungen.
Grundsätzlich kann der Schrank im Wesentlichen luftdicht sein. In diesem Fall ist zum Kühlen von elektrischen und/oder elektronischen Geräten ein innerer Luftkreislauf im Schrank vorgesehen.
Bevorzugt wird jedoch erwärmte Luft auf einer Seite des Schranks ausgeblasen. An dieser Seite kann ein sogenannter Warmgang gebildet sein. In beiden Situationen wird erfindungsgemäß die Temperatur des erwärmten Kühlfluids in der Ausflussleitung als Regelgröße genutzt.
Bei einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Schranks ist ein Versorger zum Zuführen von gekühltem Kühlfluid an die Einflussleitung vorgesehen. Zudem kann eine Rückführung von erwärmtem Kühlfluid stromabwärts zu dem erfindungsgemäßen Ventil vorhanden sein.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren beschrieben.
Hierin zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schranks zur Aufnahme elektrischer und elektronischer Geräte und
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung.
Aquivalente Komponenten sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schranks zur Aufnahme elektrischer und elektronischer Geräte. Die Abbildung dient der Veranschaulichung und ist nicht maßstabsgetreu. Der Schrank weist ein Rackgehäuse 110 und eine Kühlvorrichtung 120 auf. In dem Rackgehäuse 110 sind zu kühlende elektrische und elektronische Geräte, beispielsweise Server 111, aufgenommen. Zum Abführen der von den Servern 111 erwärmten Luft sind Ventilatoren 112 an den Servern 111 vorhanden.
Bei einer beispielhaften Anwendung sind mehrere erfindungsgemäße Schränke in Reihen aufgestellt. Dabei wird auf einer Seite ein Kaltgang gebildet, welchem gekühlte Luft Zugeführt wird. Diese Luft wird in die Schränke geführt und zur Kühlung der elektrischen und elektronischen Geräte im Schrank genutzt. Die hierdurch erwärmte Luft wird auf der gegenüberliegenden Schrankseite in einen Warmgang abgegeben. Damit die in den Warmgang abgegebene Luft keine übermäßig hohe Temperatur aufweist, kann die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 120 eingesetzt werden. Die Kühlvorrichtung 120 ist an oder in dem Rackgehäuse 110 angeordnet und weist einen Luft/Fluid-Wärmetauscher 15 auf. Bei diesem handelt es sich im dargestellten Beispiel um einen Wärmetauscher für Luft/Wasser, das heißt als Kühlfluid 11 wird hier Wasser verwendet. Das Kühlfluid 11 wird über eine Einflussleitung 14, welche auch als Kühlwasservorlauf bezeichnet werden kann, zu dem Wärmetauscher 15 geführt. An dem Wärmetauscher 15 wird die von den Servern 111 erwärmte Luft durch das Kühlfluid 11 gekühlt.
Das hierdurch erwärmte Kühlfluid 11 verlässt den Wärmetauscher 15 durch eine Ausflussleitung 16. Diese kann auch als Kühlwasserrücklauf 16 bezeichnet werden. Die Ausflussleitung 16 führt das erwärmte Kühlfluid 11 zu einem erfindungsgemäßen Ventil 100.
Das Ventil 100 regelt den Durchfluss des Kühlfluids 11. Dabei erhöht das Ventil 100 den Durchfluss umso mehr, je höher die Temperatur des Kühlfluids im Ventil 100 ist. Die Temperatur des Kühlfluids 11 stromabwärts zu dem Wärmetauscher 15 ist ein gutes Maß für die Temperatur der erwärmten Luft beziehungsweise der zu kühlenden Server 111. Vorteilhafterweise kann somit der Durchfluss des Kühlfluids 11 an die Temperatur der erwärmten Luft oder der Server 111 angepasst werden, ohne dass hierzu Temperatursensoren an den Servern 111 selbst nötig wären.
Ein bevorzugter Aufbau der erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung 100 wird mit Bezug auf 2 beschrieben. Das Kühlfluid 11 strömt in Richtung des Pfeils 17 durch einen Eingang 18 des Ventils der Regelungseinrichtung 100. Es fließt durch einen Durchgang 20 und verlässt durch einen Ausgang 22 in Richtung des Pfeils 23 das Ventil.
Um den Durchfluss des Kühlfluids 11 durch den Durchgang 20 zu steuern, ist ein Absperrkörper 30 in Form eines Ventilkegels vorhanden. In 2 ist der Absperrkörper sowohl in einer Schließposition dargestellt, in welcher er den Durchgang 20 soweit verschließt, dass kaum Kühlfluid 11 durchtreten kann, als auch in einer Öffnungsposition, in welcher der Durchfluss des Kühlfluids 11 durch den Durchgang 20 im Wesentlichen nicht durch den Absperrkörper 30 behindert wird.
Ein temperaturabhängiges Öffnen des Durchgangs 20 erfolgt durch einen Aktor 10, bei dem es sich im dargestellten Beispiel um ein Dehnstoffelement 10 handelt, welches mit dem Absperrkörper 30 wirkungsmäßig verbunden ist.
Das Dehnstoffelement 10 ist in einem vom Kühlfluid durchströmten Bereich angeordnet, so dass es die Temperatur des Kühlfluids 11 annimmt. Steigt die Temperatur des durchströmenden Kühlfluids 11, so erwärmt sich das Dehnstoffelement 10 und dehnt sich aus. Dabei wird die Ausdehnung durch ein Gehäuse des Dehnstoffelements zumindest weitestgehend in eine Längenänderung in Richtung des Absperrkörpers 30 überführt. Als Folge drückt das Dehnstoffelement 10 bei höherer Temperatur stärker gegen den Absperrkörper 30. Dieser gibt dadurch den Durchgang 20 zu einem größeren Anteil frei und der Durchfluss an Kühlfluid 11 wird erhöht.
Bei einer sinkenden Temperatur des Kühlfluids 11 zieht sich das Dehnstoffelement 10 zusammen und bewegt den Absperrkörper 30 zurück in Richtung des Durchgangs 20. Der Durchfluss wird mit sinkender Temperatur also reduziert.
Die Längenänderung des Dehnstoffelements 10 ist stetig, insbesondere linear, von der Temperatur abhängig. Dadurch wird auch der Durchfluss stetig beziehungsweise linear in der Temperatur gesteuert.
Um sicherzustellen, dass sich bei einem Zusammenziehen des Dehnstoffelements 10 der Absperrkörper 30 auch mit zurückbewegt, ist eine Feder 40 vorgesehen. Diese ist in einem Bereich 19 vor dem Durchgang 20 angeordnet, während das Dehnstoffelement 10 in einem Bereich 21 hinter dem Durchgang 20 angeordnet ist. Die Feder 40 drückt den Absperrkörper 30 in Fließrichtung des Kühlfluids 11 zu dem Durchgang 20.
Zum Einstellen des Durchflusses weist das Ventil der Regelungsvorrichtung 100 außerdem eine Einstelleinrichtung 50 auf. Diese ist von außen für einen Benutzer zugänglich. Die Einstelleinrichtung 50 weist eine Gewindestange 51 auf, welche mit dem Dehnstoffelement 10 verbunden ist. Mit der Einstelleinrichtung 50 kann der Benutzer somit die Position des Dehnstoffelements 10 verändern.
Wenn, wie im dargestellten Fall, das Dehnstoffelement 10 fest mit dem Absperrkörper 30 verbunden ist, wird über die Einstelleinrichtung 50 direkt die Position des Absperrkörpers 30 relativ zu dem Durchgang 20 und somit der Durchfluss verändert.
Es kann alternativ aber auch vorgesehen sein, dass das Dehnstoffelement 10 nicht fest mit dem Absperrkörper 30 verbunden ist. In diesem Fall wird über die Einstelleinrichtung 50 ein Abstand zwischen dem Dehnstoffelement 10 und dem Absperrköper 30 eingestellt. Dieser Abstand stellt eine notwendige Längenänderung des Dehnstoffelements 10 dar, ab welcher das Dehnstoffelement 10 ein Öffnen des Durchgangs 20 bewirkt.
Indem der Benutzer den Durchfluss einstellen kann, kann er die Temperatur des erwärmten Kühlfluids 11 beeinflussen. Hierdurch kann der Benutzer auch eine gewünschte Temperatur der zu kühlenden Server 111 oder der von den Servern 111 erwärmten Luft vorgeben.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind vorteilhafterweise kein Temperaturfühler und kein räumlich davon getrennter Aktuator nötig. Vielmehr wird deren Funktion durch ein einzelnes Dehnstoffelement 10 ausgeführt. Dadurch kann das Ventil vorteilhafterweise hilfsenergiefrei arbeiten.
Die Führungsgröße der Regelung ist die Temperatur des Kühlfluids, welches von der Luft im Geräteschrank oder der aus dem Geräteschrank abgeführten Luft erwärmt wird, nicht etwa die Temperatur der im Geräteschrank vorhandenen Luft selbst. Dadurch kann auf ein aufwendiges und fehleranfälliges Montieren von Temperatursensoren an den zu kühlenden elektrischen und elektronischen Geräten 111 verzichtet werden. Vorteilhafterweise sind somit keine aufwendigen elektronischen Steuereinrichtungen notwendig und es wird ein kostengünstiger und gleichzeitig zuverlässiger Aufbau bereitgestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007061966 B4 [0005]

Claims

Regelungsvorrichtung zur Regelung der Kühlleistung einer Kühleinrichtung eines Schrankes zur Aufnahme elektrischer und elektronischer Geräte, wobei die Kühleinrichtung – einen Luft/Fluid-Wärmetauscher (15) zum Kühlen von durch elektrische und/oder elektronische Geräte im Schrank erwärmter Luft, – eine Zuflussleitung (14) zum Leiten eines Kühlfluids (11) zu dem Luft/Fluid-Wärmetauscher (15), eine Rückflussleitung (16) zum Leiten von erwärmtem Kühlfluid (11) aus dem Luft/Fiuid-Wärmetauscher (15) und – einen Durchflussbegrenzer zum Einstellen einer Durchflussmenge des Kühlfluids (11) aufweist, wobei die Regelungsvorrichtung eine Regel- und Auswerteeinrichtung zum Einstellen des Durchflussbegrenzers aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass ein Temperaturerfasser zum Erfassen der Temperatur des Kühlfluids (11) in der Ausflussleitung (16) vorgesehen ist und – dass die Regel- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, den Durchflussbegrenzer abhängig von einer von dem Temperaturerfasser erfassten Temperatur des Kühlfluids (11) zur Regelung der Durchflussmenge des Kühlfluids (11) einzustellen.
Regelungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussbegrenzer in oder an der Zuflussleitung (14) angeordnet ist.
Regelungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussbegrenzer in oder an der Rückflussleitung (16) angeordnet ist.
Regelungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturerfasser zumindest teilweise mittels des Durchflussbegrenzers ausgebildet ist.
Regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsvorrichtung hilfsenergiefrei arbeitet.
Regelungsvorrichtung nach Anspruch 1, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturerfasser, der Durchflussbegrenzer und die Regel- und Auswerteeinrichtung zumindest teilweise mittels eines Ventils zur temperaturabhängigen Regelung eines Durchflusses eines Kühlfluids ausgebildet sind, welches – einen Durchgang (20) zum Durchfluss des Kühlfluids, – einen Absperrkörper (30), dessen Position den Durchfluss durch den Durchgang (20) einstellt, und – einen Aktor (10) zum Regeln der Position des Absperrkörpers (30) aufweist, – dass der Aktor (10) zum Regeln der Position des Absperrkörpers (30) eine thermisch definierte Längenänderung aufweist und dass der Aktor (10) in einem Bereich angeordnet ist, der beim Durchfluss des Kühlfluids von diesem mindestens teilweise durchströmt ist.
Regelungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (10) ein Dehnstoffelement (10) ist.
Regelungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Längenänderung des Aktors (10) eine stetige Änderung der Position des Absperrkörpers (30) erfolgt.
Regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstelleinrichtung (50), insbesondere mit einer Gewindestange (51), zum Einstellen einer Position des Absperrkörpers (30) vorgesehen ist.
Regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Schließposition des Absperrkörpers (30) der Durchgang (20) im Wesentlichen versperrt und in einer Öffnungsposition freigegeben ist und dass der Aktor (10) so beschaffen ist, dass eine Längenänderung des Aktors (10), durch welche der Absperrkörper (30) zwischen der Schließposition und der Öffnungsposition bewegt wird, innerhalb von einem Temperaturbereich erfolgt, welcher kleiner als 10°C, vorzugsweise kleiner als 6°C und besonders bevorzugt kleiner als 3°C ist.
Regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenänderung des Aktors (10) zumindest über einen bestimmten Temperaturbereich im Wesentlichen linear temperaturabhängig ist.
Regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (10) stromabwärts zu dem Durchgang (20) angeordnet ist.
Kühlvorrichtung für einen Schrank zur Aufnahme elektrischer und elektronischer Geräte mit – einer Kühleinrichtung, welche – einen Luft/Fluid-Wärmetauscher (15) zum Kühlen von durch elektrische und/oder elektronische Geräten im Schrank erwärmter Luft, – eine Zuflussleitung (14) zum Leiten eines Kühlfluids (11) zu dem Luft/Fluid-Wärmetauscher (15), – eine Ausflussleitung (16) zum Leiten von erwärmtem Kühlfluid (11) aus dem Luft/Fluid-Wärmetauscher (15) und – einen Durchflussbegrenzer zum Einstellen einer Durchflussmenge des Kühlfluids (11) aufweist, gekennzeichnet durch – eine Regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Schrank zur Aufnahme elektrischer und elektronischer Geräte, gekennzeichnet durch eine Kühlvorrichtung nach Anspruch 13.
Schrank nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Versorger zum Zuführen von gekühltem Kühlfluid (11) an die Einflussleitung (14) vorgesehen ist.