DE2138376C3 - Kühlsystem für in Schränken untergebrachte elektronische Geräte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem für in Schränken untergebrachte elektronische Geräte gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. In modernen elektronischen Geräten, beispielsweise Datenverarbeitungsanlagen, sind vielfach in integrierter Schaltkreistechnik hergestellte Schaltungen auf parallel zueinander angeordneten Leiterplatten in sehr dichter Packung innerhalb der Schränke in jeweils übereinander angeordneten Magazinen untergebracht. Die immer noch anhaltende Tendenz zur Erhöhung der Packungsdichte, die im Interesse einer kürzeren Signallaufzeit innerhalb solcher Anlagen angestrebt wird, hat gerade bei größeren elektronischen Anlagen das Kühlproblem verschärft.

Geht man z.B. von Magazinen mit einer Grundfläche von 600 χ 200 mm und einer Höhe von 200 mm aus, so lassen sich in einem solchen Magazin z.B. 50 sogenannte Steckeinheiten, d.h. mit integrierten Schaltkreisen bestückte Leiterplatten in senkrechter Lage nebeneinander unterbringen. An der Rückseite des Magazins befinden sich die Verdrahtung und die Buchsenleisten zur Aufnahme der jeweils an der hinteren Kante der Leiterplatten befindlichen Steckerleisten. Bei voller Bestückung der Leiterplatten mit Schaltkreisen in integrierter Schaltkreistechnik erhält man eine Wärmeverlustleistung von bis zu 2 kW pro Magazin, die durch ein Kühlsystem nach außen abgeleitet werden muß.

Das sich daraus ergebende Kühlproblem ist bekannt und es werden dafür auch Lösungen bereits angegeben. So sind z.B. in einem Aufsatz in »IRE Transactions«, CP 6, September 1959, Seite 180 ff. Überlegungen zu Kühlsystemen für in Schränken untergebrachte elektronische Geräte angestellt, verschiedene Kühlprinzipien erläutert und in ihren Vor- und Nachteilen einander gegenübergestellt. Unter anderem werden dabei zwei bekannte Kühlprinzipicn erläutert. In einem Fall wird durch einen an der Schrankoberseite angeordneten Sauglüfter, der die Abluft nach außen abgibt, ein ständiger Kühlluftstrom durch die übereinanderliegenden Magazine des Schrankes erzeugt Die Zuluft wird dabei im wesentlichen für die einzelnen Magazine parallel von außen durch eine Schrankseite zugeführt. Bei einem anderen Kühlsystem ist an der Schrankunterseite ein Drucklüfter angeordnet, der durch eine Schrankseite hindurch von außen Kühlluft ansaugt und diese in einem gleichmäßigen Luftstrom nacheinander durch alle übereinander angeordneten Magazine bläst Die Abluft wird an der Schrankoberseite nach außen abgegeben.

Es ist unmittelbar einzusehen, daß bei den beiden Kühlsystemen die in verschiedenen Magazinen zusammengefaßten Baueinheiten ungleichmäßig gekühlt werden, d.h. die Baueinheiten gerade bei einer sehr hohen Packungsdichte mit einer großen Verlustleistung pro Volumeneinheit auf unterschiedliche Temperaturen abgekühlt werden. Diese Tendenz verstärkt sich, wenn die einzelnen Magazine unterschiedlich mit Leiterplatten bestückt sind.

Dies soll durch eine dritte beschriebene Kühlmethode vermieden werden. Bei der entsprechenden Einrichtung besitzt jeder Schrank einen seitlich angeordneten, vertikal verlaufenden Kühlkanal, der an einen in der Oberseite des Schrankes angeordneten Drucklüfter angeschlossen ist Damit sich der in diesem Kühlkanal transportiert 2 Kühlluftstrom parallel auf die einzelnen Magazine des Schrankes verteilt, werden die Führungen für die Leiterplatten im Magazin als eine geschlossene horizontal angeordnete Platte ausgebildet, deren Querschnitt ein flaches Vierkantrohr bildet Diese hohle Führungsplatte ist einseitig an den Kühlkanal angeschlossen und weist in Höhe jeder Leiterplatte öffnungen auf. Durch diese öffnungen strömt der aufgeteilte Kühlluftstrom aus und wird, an den Leiterplatten vorbeistreichend, in Richtung der Frontseite des Magazins nach außen abgeführt.

In diesem Zusammenhang ist noch darauf verwiesen, daß ein einziger Motor zwei Drucklüfter betreiben kann, die jeweils einem von zwei benachbarten Schränken zugeordnet sind.

Dieses Kühlsystem erlaubt die Kühlluft jedem Magazin parallel zuzuführen und beruht wie die beiden anderen, vorstehend erläuterten Kühlsysteme auf einem System mit offenem Kühlstrom, da Zu- und Abluft jeweils von außen zugeführt bzw. nach außen abgeführt werden. Daher hat auch dieses Kühlsystem die Eigenschaft, daß eine unterschiedliche Bestückung in einzelnen Magazinen auch hier unterschiedliche Kühlung bewirkt, da die hindurchströmenden Luftmengen von dem herrschenden Luftwiderstand abhängig sind. Darüber hinaus ist die ganze Aufbautechnik wegen der komplizierten Verteilung des Kühlluftstromes auf die einzelnen Magazine in einer Vielzahl von Kühlkanälen doch verhältnismäßig aufwendig. Handelsübliche und allgemein gebräuchliche Leiterplattenführungen sind dabei nicht verwendbar, die gewählte Aufbautechnik könnte daher nur bei großer Stückzahl wirtschaftlich werden.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt dagegen die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das unabhängig von der gewählten Aufbautechnik universell einsetzbar ist, einen alle Magazine eines Schrankes nacheinander durchströmenden Kühlluftstrom erzeugt und damit durch alle Magazine eines Schrankes dieselbe Luftmenge unabhängig von einer evtl. unterschiedlichen Bestückung

hindurchführt Dieses Kühlsystem soll dabei derart ausgestaltet sein, daß alle Baueinheiten eines Schrankes unabhängig von der räumlichen Anordnung des zugehörigen Magazins jeweils auf einen eng tolerierten Temperaturbereich abzukühlen sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs beschriebenen Merkmale gelöst Dieses Kühlsystem weist zunächst einen geschlossenen Kühlkreislauf auf, d.h. daß die zur primären Kühlung der Schaltkreise verwendete Luft |_O dauernd umläuft und sich daher in gegebenenfalls notwendigen Staubfiltern nicht viel Staub absetzen kann. Insbesondere kann aber die ganze Einheit aus zwei Schränken und eine beliebige Anzahl weiterer aus derselben Kühlmittelquelle parallel gespeister Schrankeinheiten innerhalb des gleichen relativ beschränkten Temperaturintervalls festgehalten werden, was gerade bei integrierten Schaltkreisen, die einen erheblichen Tewiperaturgang zeigen können, von Bedeutung ist

Neben diesen Vorteilen hat ein derartig beschlössener Kühlluftstrom auch die Eigenschaft, daß unterschiedliche Luftwiderstände in einzelnen Magazinen keinen Einfluß auf die durch die einzelnen Magazine durchfließende Luftmenge ausüben können. Unterschiedliche Bestückungen einzelner Magazine, z.B. auch bei Wartungsarbeiten, haben daher keinen Einfluß auf die Kühlwirkung.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Unteranspruch gekennzeichnet

Anhand der Zeichnung soll nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Einheit aus zwei Schränken zu je fünf Magazinen mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Kühlsystem und

F i g. 2 im Detail einen Wärmetauscher, der vorteilhaft jeweils zwischen zwei Magazinen angeordnet sein kann.

In Fig. 1 sind zwei Schränke 1 und 2 zu je fünf übereinander angeordneten Magazinen 3 bzw. 4 zu einer gemeinsam gekühlten Einheit zusammengefaßt. Jeweils zwischen zwei Magazinen ist ein Wärmetauscher 5 angeordnet so daß die durch Lüfter 6 in Umlauf gehaltene Kühlluft, deren Strömungsrichtung durch Pfeile angedeutet ist jeweils nach Erwärmung in einem Magazin 3 oder 4 in einem Wärmetauscher 5 wieder auf ungefähr ihre vorherige Temperatur abgekühlt wird. Dadurch ist sichergestellt, daß sämtliche Schaltkreise innerhalb der Schrankeinheit in demselben Temperaturintervall betrieben werden.

Durch oberhalb und unterhalb der beiden Schranke angeordnete Umleitkammern 7 bzw. 8 wird die aus dem Schrank 1 oben austretende Kühlluft in den Schrank 2 bzw. die unten aus dem Schrank 2 austretende Kühlluft in den Schrank 1 umgelenkt, so daß ein geschlossener Kreislauf entsteht Das hat den Vorteil ge3enüber Kühlsystemen, denen stets Frischluft zugeführt wird, daß keine größeren Staubmengen in die Schränke eindringen können bzw. vor denselben abgefiltert werden müssen. Es kann trotzdem zweckmäßig sein, auch bei der Erfindung in den Luftkreislauf mindestens einen Staubfilter einzufügen, da durch unvermeidbare Undichtigkeiten der Schränke ein gewisser Austausch zwischen der Kühlluft und der Außenluft auftreten kann und auch innerhalb der Schaltungen Staub entstehen kann, der sich an unerwünschten Stellen wieder niederschlagen würde. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel der F i g. 1 sind daher zwei Staubfilter 9 vorgesehen, die jeweils eine Überdruckkammer JO bzw. 11 an der Unterfläche des Schrankes 1 bzw. an der Deckfläche des Schrankes 2, und zwar jeweils im Anschluß an die betreffenden Lüfter 6 abschließen. Durch den erhöhten Luftwiderstand der Filter 9 wird die Luft in den Kammern 10 und 11 auf erhöhten Druck gebracht wodurch ua. auch eine gleichmäßigere Verteilung des Luftstromes über den gesamten Strömungsquerschnitt erfolgt

Die Magazine 3 und 4 können in bekannter Weise an ihren Vorder- und Unterseiten mit Profilschienen zum Einschieben von gedruckten Schaltungskarten versehen sein. Diese Profilschienen können jedoch auch mit den Wärmetauschern 5 jeweils eine konstruktive Einheit bilden. Diese Einzelheiten sind in der Zeichnung der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, da sie nicht wesentlich für die Erfindung sind. Eine andere Möglichkeit der Anwendung der Erfindung besteht darin, in ebenfalls an sich bekannter Weise die Magazine 3 und 4 als besondere Einschöbe auszubilden, die als Ganzes zusammen mit ihren Vorder-, Unter- und Seitenflächen schubladenartig aus dem Schrank herausgezogen werden können. In jedem Falle ist dafür zu sorgen, daß die Ober- und Unterflächen der Magazine öffnungen in solcher Zahl und Verteilung besitzen, daß sich ein gleichmäßiger Luftstrom ergibt, während die Seitenflächen möglichst dicht abschließen sollen, um ein Entweichen von Luft und damit ein stetes Ansaugen von Frischluft die neuen Staub in den Kreislauf bringen würde, zu vermeiden.

In F i g. 2 ist als Beispiel der Aufbau eines Wärmetauschers 5 dargestellt, wie er zum Einbau in den linken Schrank 1 der F i g. 1 geeignet ist. Aus einem für alle Wärmetauscher eines Schrankes gemeinsamen Kühlwasserzuflußrohr 21 sind für jeden Wärmetauscher 5 mehrere aus je zwei parallelen Zweigen gebildete Rohrschleifen 22 abgezweigt, von denen in der Zeichnung nur die vorderste zu sehen ist und deren andere Enden jeweils in ein parallel zum Zuflußrohr verlaufendes Kühlwasserabflußrohr münden. Wieviele derartige Rohrschleifen 22 pro Wärmetauscher hintereinander angeordnet sein müssen, richtet sich nach der Tiefe des Schrankes, dem verfügbaren Kühlwasserdruck und nach der abzuführenden Wärmemenge.

Auf die parallelen Rohre 22 sind nach Art bekannter Wärmetauscher in gutem Kontakt mit den Rohren Kühlplatten 24 aufgeschoben, zwischen denen die zu kühlende Umluft hindurchstreicht, die durch öffnungen, wie dargestellt des unterhalb liegenden Magazins 3 in den Raum zwischen den Platten 24 einströmt und durch eben solche öffnungen in das nächst höhere Magazin hinausströmt.

Die Bemessung für ein Kühlsystem gemäß der Erfindung ergibt sich für die eingangs erwähnten Größenordnungen aus folgenden Überlegungen: Bei einer Magazingröße von 600 χ 200 χ 200 mm mit ca. 50 Schaltungskarten pro Magazin hat man mit einer Verlustleistung von z.B. 1,8 kW pro Magazin zu rechnen. Bei einem Luftdurchsatz von 100 m³ pro Stunde, was einer Luftgeschwindigkeit von ca. 3m/sec entspricht, ergibt sich eine Kühllufterwärmung von ca. 5,4° C pro Magazin. Diese Erwärmung muß in dem Wärmetauscher 5 jeweils wieder rückgängig gemacht werden. Bei einer Konstruktion nach Fig. 2 mit ca. 175 Aluminiumplatten von 70 mm Höhe und 210 mm Breite bei 0,7 mm Stärke, die auf Kupferrohre von 15 mm Durchmesser auf einer Länge von 600 mm aufgepreßt sind, ergibt sich z.B. im Mittel eine Temperatur von 24°C an der Unterkante und 30°C an der Oberkante der Kühlplatte

bei einer Eintrittstemperatur des Kühlwassers von 18°C und einer Austrittstemperatur von 23°C.

Um die obengenannte Wärmemenge abzuführen, ist somit für jeden Wärmetauscher eine Wassermenge von 310 kg pro Stunde erforderlich. Um den Strömungswiderstand nicht zu groß werden zu lassen und gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen, empfiehlt es sich in diesem Falle für jeden Wärmetauscher fünf Kühlwasserschleifen 22 vorzusehen.

Es kann zweckmäßig sein, in der unteren Umlenkkammer 8 in Fig. 1 in der rechten Hälfte eine Jalousie 12 zum Auffangen von Schwitzwasser anzubringen. Man muß dann dafür Sorge tragen, daß der unmittelbar darüber angeordnete Wärmetauscher durch erhöhte Kühlwirkung den kältesten Punkt im Kühlluftkreislauf darstellt, damit alle überschüssige Feuchtigkeit sich an ihm kondensiert. Das kann z.B. dadurch geschehen, daß man dem betreffenden Wärmetauscher 5 eine gegenüber dem oben angegebenen Wert fünf erhöhte Anzahl von Kühlwasserschleifen 22 gibt oder ihn in Reihe vor alle übrigen Wärmetauscher schaltet

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kühlsystem für in Schränken untergebrachte elektronische Geräte, bei denen parallel zueinander ausgerichtete, mit Bauelementen bestückte Leiterplatten in einem Schrank jeweils in übereinanderliegenden Magazinen angeordnet sind, die nacheinander von einem durch Lüfter dauernd aufrechterhaltenen Kühlluftstrom durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei unmittelbar benachbarte Schränke für die Kühlung zu einer Einheit in der Weise zusammengefaßt sind, daß ein geschlossener, in dem einen Schrank (1) aufwärts, in dem anderen Schrank (2) abwärts gerichteter, sämtliche Magazine beider Schränke nacheinander durchströmender Kühlluftstrom geschaffen ist, und daß in jedem Schrank jeweils zwischen zwei Magazinen (3 bzw. 4) Wärmetauscher (5) angeordnet sind, die bei paralleler Anordnung von einem Kühlmittel großer Wärmekapazität, insbesondere Wasser, durchströmt werden.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unterste Wärmetauscher (5) in dem Schrank (2) mit abwärts gerichtetem Kühlluftstrom auf eine tiefere Temperatur gekühlt wird und unter ihm eine Vorrichtung (12) zum Auffangen und Ableiten von Schwitzwasser vorgesehen ist.