DE4337692A1 - Kühlsystem für elektronisches Gerät und Verfahren zu seiner Steuerung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem für ein elektronisches Gerät wie einen Computer, und insbe­ sondere auf ein Kühlsystem mit zwei oder mehr Kühleinheiten, bei dem die Betriebsfrequenz jeder Kühleinheit verringert werden kann, um eine lange Lebensdauer eines Kompressors in der Kühleinheit zu erreichen, sowie auf ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Kühlsystems.

Bei einem herkömmlichen Kühlsystem mit zwei oder mehr einzeln einstellbaren Kühleinheiten wird eine erforderliche Mindestanzahl von Kühleinheiten betrieben, um dem elektroni­ schen Gerät zugeführtes Kühlmedium auf eine vorgegebene Temperatur zu kühlen, wie in JP-A-2-192564 (entspricht dem US-Patent Nr. 5,201,187) offenbart. Zusätzlich zu den mini­ mal erforderlichen Kühleinheiten werden ein oder mehrere Kühleinheiten zum Ersatzgebrauch in einem Bereitschaftszu­ stand gehalten. Daher werden sie normalerweise nicht betrieben, sondern es wird eine von ihnen als Reserve­ kühleinheit betrieben, wenn eine Störung bei bei einer der arbeitenden Kühleinheiten auftritt.

Auf diese Weise hat bei einem Kühlsystem mit einer Mehrzahl von Kühleinheiten jede der Kühleinheiten einen großen Kühl­ bereich, so daß ein Kühlbereich, der durch Betreiben von n Kühleinheiten erreicht wird, mit einem Kühlbereich über­ lappen kann, der durch Betrieb von n+1 Kühleinheiten er­ reicht wird. In einem solchen Fall kann Kühlleistung entsprechend einer von einem elektronischen Gerät erzeugten Wärmemenge durch n Kühleinheiten oder durch n+1 Kühlein­ heiten erzeugt werden. Dabei versteht sich, daß die von jeder Kühleinheit erzeugte Kühlleistung geringer ist, wenn n+1 Kühleinheiten betrieben werden.

Jede Kühleinheit enthält einen Kompressor zur Durchführung einer veränderbaren Steuerung der Kühlleistung. Die Geschwindigkeit, mit der ein Lager im Kompressor zur Umwandlung der Drehbewegung eines Motors in einen Kom­ pressionsvorgang verschleißt, hängt von der Kühlleistung ab. Genauer gesagt wird, wenn die Betriebsfrequenz des Motors erhöht wird, so daß der Motor mit höherer Drehgeschwindig­ keit rotiert, um die Kühlleistung zu erhöhen, das Lager in entsprechend kürzerer Zeit verschlissen, so daß seine nutz­ bare Lebensdauer kürzer wird. Umgekehrt wird, wenn die Betriebsfrequenz gesenkt wird, so daß der Motor mit einer geringeren Drehgeschwindigkeit rotiert, um die Kühlleistung zu verringern, der Verschleiß des Lagers verlangsamt und folglich wird die nutzbare Lebensdauer des Lagers länger. Daher sollte, um die nutzbare Lebensdauer des Lagers zu ver­ längern, die Betriebsfrequenz des Motors verringert werden, so daß der Motor mit niedrigerer Drehgeschwindigkeit rotiert, um die Kühlleistung der Kühleinheit so weit wie möglich zu verringern.

Jedoch berücksichtigt der oben angegebene Stand der Technik nicht eine Situation, bei der die einer von einem elektroni­ schen Gerät erzeugten Wärmemenge entsprechende Kühlleistung, sowohl durch n Kühleinheiten als auch durch n+1 Kühlein­ heiten erzeugt werden kann, und offenbart auch nicht, daß ein Betrieb mit n+1 Kühleinheiten für diese Situation gewählt wird, um eine mehr als ausreichende Kühlleistung einer jeden Kühleinheit zu liefern. Auch eine Verringerung der von jeder Kühleinheit erzeugten Kühlleistung zum Zwecke der Verlängerungsdauer der nutzbaren Lebensdauer des Lagers im Kompressor, wird nicht in Betracht gezogen.

Aus diesem Grund betreibt das herkömmliche Kühlsystem nur eine erforderliche minimale Anzahl von Kühleinheiten, so daß jede der Kühleinheiten eine hohe Kühlleistung mit geringer Leistungsreserve erzeugen muß. Beim Stand der Technik tritt somit das Problem auf, daß der Motor im Kompressor fortge­ setzt mit hoher Drehgeschwindigkeit rotiert, so daß das Lager des Kompressors schnell verschlissen wird und die nutzbare Lebensdauer des Lagers verkürzt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Kühlsystem und ein Verfahren zu dessen Steuerung zu schaffen, das in der Lage ist, die von jeder Kühleinheit erzeugte Kühl­ leistung zu verringern, ohne die Kühlleistung des gesamten Systems zu senken.

Der erste Teil der Aufgabe wird gelöst durch ein Kühlsystem nach Anspruch 1. Ein solches Kühlsystem hat einen Strömungs­ pfad, in dem ein Kühlmedium umläuft; im Strömungspfad angeordnete Versorgungseinrichtungen, die das Kühlmedium einem elektronischen Gerät zuführen, das eine Wärmequelle ist; sowie n+1 parallel zu einander im Strömungspfad angeordnete Kühleinheiten zum Kühlen des Kühlmediums auf eine vorgegebene Temperatur. Die Kühleinheiten sind so aus­ gelegt, daß sowohl n als auch n+1 arbeitende Kühleinheiten die einer vom elektronischen Gerät erzeugten Wärmemenge entsprechende Kühlleistung erzeugen können. Das Kühlsystem umfaßt außerdem eine Störungserfassungseinrichtung zum Erfassen von Störungen in jeder Kühleinheit; eine Halte­ einrichtung, die auf die Störungserfassungseinrichtung reagiert, wenn das Auftreten einer Störung in einer der n+1 Kühleinheiten erfaßt wird, und die Kühleinheit anhält, in der die Störung aufgetreten ist; und eine Betriebssteuerein­ richtung zum Steuern der Kühlleistung jeder Kühleinheit derart, daß n Kühleinheiten die Kühlleistung erzeugen, die der vom elektronischen Gerät erzeugten Wärmemenge ent­ spricht. Wenn eine Störung in einer der Kühleinheiten auftritt, schaltet das Kühlsystem vom Betrieb mit n+1 Kühleinheiten um auf den Betrieb mit n Kühleinheiten.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Steuerverfahren für ein Kühlsystem gemäß der vorliegenden Erfindung, zum Steuern eines Kühlsystems mit einer Mehrzahl von Kühleinheiten zum Kühlen eines Kühlmediums, das eine Wärmequelle in Art eines elektronischen Geräts kühlt, auf eine vorgegebene Tempe­ ratur, bei welchem Verfahren die Anzahl der Kühleinheiten bestimmt wird, wenn ein Maximalwert einer Gesamtkühl­ leistung, die von einer Mehrzahl der Kühleinheiten erzeugt wird, die alle mit identischer Kühlleistung betrieben werden, gleich oder größer als eine vorab eingestellte, vom elektronischen Gerät erzeugte, Wärmemenge wird. Als nächstes wird bestimmt, ob ein Minimalwert der Kühlleistung, die erhalten wird, wenn eine Anzahl von Kühleinheiten gleich der bestimmten Anzahl plus 1 alle mit identischer Kühlleistung betrieben wird, gleich oder kleiner als die erzeugte Wärme­ menge ist. Auf Grundlage dieser Bestimmungsergebnisse wird die Anzahl der zu betreibenden Kühleinheiten ausgewählt, und die ausgewählte Anzahl von Kühleinheiten wird gestartet. Außerdem wird eine Temperatur des von den Kühleinheiten gekühlten Kühlmediums erfaßt, mit einer vorgegebenen einge­ stellten Temperatur verglichen, die von jeder Kühleinheit zu erzeugende Kühlleistung wird auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses berechnet und die Kühlleistung jeder Kühleinheit wird an die berechnete Kühlleistung angepaßt.

Wie oben beschrieben, werden gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn eine einer von einem elektronischen Gerät erzeugten Wärmemenge entsprechende Kühlleistung sowohl von n als auch n+1 Kühleinheiten erzeugt werden kann, n+1 Kühleinheiten betrieben, so daß jede der Kühleinheiten eine ausreichende Reserve hat. Deswegen kann auch wenn eine Störung in einer der Kühleinheiten auftritt, der Betrieb mit den n Kühleinheiten fortgesetzt werden. Da außerdem eine Betriebsfrequenz eines Kompressors in der Kühleinheit ver­ ringert werden kann, so daß der Kompressormotor mit geringe­ rer Drehgeschwindigkeit rotiert, kann eine Verschleißge­ schwindigkeit eines Lagers verringert werden, so daß die nutzbare Lebensdauer des Lagers verlängert wird.

Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild ein Kühlsystem zur Verwendung bei einem elektronischen Gerät, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild eine wasserge­ kühlte Kühleinheit vom Kondensatortyp, die das Kühlsystem der in Fig. 1 dargestellten Ausgestaltung bildet;

Fig. 3 zeigt in einem Blockschaltbild eine luftgekühlte Kühleinheit vom Kondensatortyp, die das Kühlsystem der Aus­ gestaltung bildet;

Fig. 4 zeigt in einem Blockdiagramm ein Beispiel für einen Kompressor, der die Kühleinheit der Ausgestaltung bildet;

Fig. 5 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehungen zwischen der Betriebsfrequenz und der Kühlleistung und zwischen der Betriebsfrequenz und dem Energieverbrauch des Kühlsystems gemäß der Ausgestaltung;

Fig. 6 ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb einer Steuerung zeigt, die Teil des Kühlsystems der Ausgestaltung ist, wenn der Betrieb des Kühlsystems begonnen wird;

Fig. 7 ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb der Steuerung zeigt, die Teil des Kühlsystems gemäß der Ausgestaltung ist, bei der Temperatursteuerung und bei eingeschränktem Betrieb; und

Fig. 8 ist eine Flußdiagramm, das den Betrieb einer Einheitssteuerung zeigt, die Teil des Kühlsystems der Ausgestaltung ist, beim Erfassen einer Störung.

In Fig. 1 umfaßt ein Kühlsystem 1 gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wenigstens zwei Kühleinheiten 4 (in dieser Ausgestaltung drei) zum Kühlen einer Kühlflüssigkeit für ein flüssiggekühltes elektronisches Gerät 2 wie einen Computer auf eine vorgegebene Temperatur; eine Pumpe 3 zum Umpumpen der Kühlflüssigkeit durch das elektronische Gerät 2 und die Kühleinheiten 4; eine Kühlflüssigkeitsrohrleitung 5 zum Verbinden des elektronischen Geräts 2, der Pumpe 3 und der jeweiligen Kühleinheit 4 miteinander; an beiden Enden einer Verbindung zwischen jeder Kühleinheit 4 und der Kühlflüssig­ keitsrohrleitung 5 angeordnete Kupplungen 21, die mit einem Ventilmechanismus sind zum Verbinden und Abtrennen der Kühleinheit 4 versehen; einen Temperatursensor 22 zum Er­ fassen einer Temperatur der dem elektronischen Gerät 2 zugeführten Kühlflüssigkeit; eine Steuerung 23 zum Steuern des Betriebs einer jeder Kühleinheit 4 auf Grundlage der Differenz zwischen einer vom Temperatursensor 22 erfaßten Temperatur und einer vorgegebenen eingestellten Temperatur; und eine Mehrzahl von Einheitssteuereinrichtungen 24 zum Durchführen einer veränderbaren Steuerung jeder einzelnen Kühleinheit 4 auf Grundlage einer Anweisung von der Steuer­ einrichtung 23 und zum Ein- und Ausschalten der Stromver­ sorgung. Die Kühleinheiten 4 sind bezüglich des elek­ tronischen Geräts 2 zueinander parallel angeordnet, miteinander durch die Kühlflüssigkeitsrohrleitung 5 verbunden, und kühlen die Kühlflüssigkeit durch Wärmeaustausch zwischen der Kühlflüssigkeit und einem Kühlmittel (z. B. einem gasförmigen Material wie Freon von Dupont).

Die Kühleinheiten 4 können grob in zwei Gruppen klassi­ fiziert werden, die sich voneinander durch das Verfahren zum Kondensieren des Kühlmittels unterscheiden. Eine umfaßt wassergekühlte Kühleinheiten vom Kondensatortyp, wie in Fig. 2 gezeigt, und die andere umfaßt luftgekühlte Einheiten vom Kondensatortyp, wie in Fig. 3 gezeigt.

In Fig. 2 umfaßt die wassergekühlte Kühleinheit vom Kon­ densatortyp 4a einen Kompressor 6 zum Komprimieren des Kühlmittels, einen wassergekühlten Kondensator 8 zum Abführen von Wärme aus dem komprimierten Kühlmittel durch Verwendung von externem Kühlwasser zum Kondensieren des Kühlmittels; ein Expansionsventil 9 zum Überführen des kon­ densierten Kühlmittels in einen Niederdruckzustand; einen Verdampfer 7 zum Kühlen der Kühlflüssigkeit durch das vom Expansionsventil 9 zugeführte Kühlmittel mit niedriger Tem­ peratur und niedrigem Druck; und eine Kühlmittelrohrleitung 10 zum Verbinden dieser Komponenten untereinander.

Stattdessen umfaßt die luftgekühlte Kühleinheit vom Konden­ satortyp 4b, wie in Fig. 3 gezeigt, einen luftgekühlten Kondensator 12, der anstelle des wassergekühlten Konden­ sators 8 vorgesehen ist, um Wärme vom durch den Kompressor 6 komprimierten Kühlmittel an Kühlluft zu übertragen, um das Kühlmittel zu kondensieren; und einen Ventilator 13, um den luftgekühlten Kondensator 12 mit der Kühlluft zu versorgen. Der Rest des Aufbaus und Betriebs der luftgekühlten Konden­ satorkühleinheit 4b sind vollständig identisch mit denen der wassergekühlten Kondensatorkühleinheit 4a.

Diverse Kompressoren können als Kompressor 6 in der Kühlein­ heit 4 eingesetzt werden, z. B. ein Kolbenkompressor, der die Hin- und Herbewegung eines Kolbens nutzt, um ein Kühlmittel zu komprimieren, ein Spiralkompressor, der die Drehbewegung einer Spirale nutzt, um ein Kühlmittel zu komprimieren, usw. Bei dieser Ausgestaltung wird ein Spiralkompressor als Bei­ spiel in Fig. 4 gezeigt. In Fig. 4 umfaßt der Kompressor 6 einen Motor 31, eine am Kompressor 6 befestigte Spirale 33, eine Drehspirale 34, bei der die Richtung der Spiralform der der festen Spirale 33 entgegengesetzt ist, und die in die feste Spirale 33 eingesetzt ist, um eine Drehbewegung durch­ zuführen, und ein Lager 32 zum Übertragen der Drehbewegung des Motors 31 auf die Drehspirale 34, damit diese die Dreh­ bewegung durchführen kann. Der Motor 31 ist mit einer Wechselspannungsversorgung über einen Wechselrichter 35, dessen Wechselstromausgangsfrequenz veränderbar ist, und einer Schaltschaltung 36 zum Ein- und Ausschalten der Strom­ versorgung verbunden.

Der Betrieb des Kompressors 6 wird nachfolgend erklärt. Wenn der Motor 31 eine Drehbewegung mit einer Drehgeschwindigkeit gemäß einer vom Wechselrichter 35 ausgegebenen Frequenz (der Betriebsfrequenz) durchführt, wird diese Drehbewegung auf die Drehspirale 34 durch das Lager 32 übertragen, so daß die Drehspirale 34 eine Drehbewegung mit der gleichen Drehge­ schwindigkeit wie der Motor 31 durchführt. Ein Kühlmittel mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck, das in den Kompressor 6 durch einen Einlaßanschluß an diesem eingezogen wird, wird durch die Drehbewegung der Drehspirale 34 zu einem Kühlmittel mit hoher Temperatur und hohem Druck kom­ primiert, das anschließend durch einen Auslaßanschluß abgegeben wird. Die Menge des durch eine Umdrehung der Drehspirale 34 komprimierten und abgegebenen Kühlmittels hängt vom Fassungsvermögen des Kompressors ab. Daher ändert sich, wenn sich die Drehgeschwindigkeit ändert, die Menge des pro Zeiteinheit komprimierten Kühlmittels ebenfalls proportional zur veränderten Drehgeschwindigkeit. Wenn sich die Kompressionsmenge ändert, ändert sich auch die Menge des dem Verdampfer 7 zugeführten Kühlmittels, was zu einer Ände­ rung der Kühlflüssigkeitskühlleistung führt. Folglich wird, wenn der Wechselrichter 35 gesteuert wird, um die Betriebsfrequenz zu ändern, die Drehgeschwindigkeit des Mo­ tors 31 verändert, so daß die Kühlleistung der Kühleinheit 4 angepaßt werden kann. Es ist aber festzuhalten, daß der Motor 31 einen in Abhängigkeit von seinem Typ, seinen Leistungsmerkmalen und dergleichen definierten Betriebs­ bereich hat, innerhalb dessen ein normaler Betrieb garan­ tiert ist. Der Betriebsbereich kann durch die Betriebs­ frequenz dargestellt sein, z. B. von α Hz bis β Hz. Wie durch eine durchgezogene Linie in Fig. 5 dargestellt, hat somit jede der Kühleinheiten 4 eine ebenfalls innerhalb der Betriebsfrequenzen von α Hz bis β Hz anpaßbare Kühlleistung Q(f), so daß die Kühlleistung Q(f) von Q(α) bis Q(β) reicht.

Die Geschwindigkeit, mit der das Lager 32 im Kompressor 6 verschlissen wird, hängt von der Drehgeschwindigkeit des Motors 31 ab. Genauer gesagt wird, wenn die Betriebsfrequenz erhöht wird, um den Motor 31 schneller zu drehen und so die Kühlleistung zu erhöhen, das Lager 32 in entsprechend kürzerer Zeit verschlissen, so daß dessen nutzbare Lebens­ dauer kürzer wird. Wenn umgekehrt der Motor 31 mit niedri­ gerer Drehgeschwindigkeit gedreht wird, um die Kühlleistung zu senken, ist der Verschleiß des Lagers 32 verlangsamt und entsprechend die nutzbare Lebensdauer des Lagers 32 ver­ längert.

Der Betrieb des oben beschriebenen Kühlsystems 1 wird mit Bezug auf Fig. 6, 7 und 8 erläutert.

Betriebsbeginn

Die Steuereinrichtung 23 weist jede der drei Einheitssteuer­ einrichtungen 24 an, festzustellen, ob die Kühleinheit 4 angeschlossen ist oder nicht. Jede Einheitssteuereinrichtung 24 stellt anweisungsgemäß fest, ob eine entsprechende Kühleinheit 4 angeschlossen ist und überträgt das Ergebnis an die Steuereinrichtung 23. Die Steuereinrichtung 23 empfängt die Feststellungsergebnisse von den entsprechenden Einheitssteuereinrichtungen 24 und erkennt, daß insgesamt drei Kühleinheiten 4 an das Kühlsystem 1 angeschlossen sind.

Anschließend stellt die Steuerung 23 die Zahl n von Kühleinheiten 4 fest, die in der Lage sind, eine Kühl­ leistung entsprechend einer vorher erwarteten und voreinge­ stellten Wärmeleistung Qh des elektronischen Geräts 2 zu erzeugen. Genauer gesagt wird der Wert von n bestimmt, für den ein Punkt, bei dem Q(f) × n = Qh erfüllt ist, in einem Kühlbereich Q(α) × n - Q(β) × n des Kühlsystems 1 existiert, wenn n Kühleinheiten 4 betrieben werden.

Wenn in diesem Fall ein Kühlbereich der einzelnen Kühlein­ heiten 4 so groß ist, daß der Kühlbereich des Kühlsystems 1 mit n Kühleinheiten 4 mit dem Kühlbereich des Kühlsystems 1 mit n+1 Kühleinheiten 4 überlappt, und wenn die der Wärme­ leistung Qh entsprechende Kühlleistung sowohl durch n Kühleinheiten als auch durch n+1 Kühleinheiten erzeugt werden kann, dann wählt die Steuereinrichtung 23 n+1 als Anzahl der zu betreibenden Kühleinheiten 4.

Zum Beispiel überlappt bei dieser Ausgestaltung der Kühl­ bereich des Kühlsystems 1 mit zwei betriebenen Kühleinheiten 4 mit dem Kühlbereich des Kühlsystems 1 mit drei betriebenen Kühleinheiten 4 in einem Bereich Q(α)×3 - Q(β)×2, wie in Fig. 5 gezeigt. In diesem Überlappungsbereich ist Q(A)×3 = Q(B)×2 = Qh für Betriebsfrequenzen mit den Werten A bzw. B erfüllt (A<B). Obwohl zwei oder drei Kühleinheiten in diesem Fall betrieben werden können, wählt die Steuerung 23 drei, wodurch die Betriebsfrequenz der entsprechenden Kühlein­ heiten 4 niedriger wird.

Anschließend weist die Steuereinrichtung 23 die entsprechen­ den Einheitssteuereinrichtungen 24 an, den Betrieb der drei Kühleinheiten 4 mit einer minimalen Kühlleistung Q(α) zu beginnen. Mit anderen Worten weist die Steuereinrichtung 23 die entsprechenden Einheitssteuereinrichtungen 24 an, den Motor 31 des Kompressors 6 mit einer minimalen Frequenz a anzufahren. Jede der Einheitssteuereinrichtungen 24 reagiert auf die Anweisung von der Steuereinrichtung 23, indem sie die Schaltschaltung 36 einschaltet und den Motor 31 mit der auf die Minimalfrequenz α eingestellten Betriebsfrequenz anfährt. Der Motor 31 beginnt die Drehbewegung mit einer Drehgeschwindigkeit gemäß dieser Frequenz α, und der Kom­ pressor 6 beginnt, das Kühlmittel zu komprimieren, und ermöglicht so, daß jede Kühleinheit 4 den Betrieb aufnimmt. Außerdem startet die Steuereinrichtung 23 die Pumpe 3 gleichzeitig mit der Anweisung an die einzelnen Einheits­ steuereinrichtungen 24. So beginnt eine durch die jeweiligen Kühleinheiten 4 gekühlte Kühlflüssigkeit, durch das elektro­ nische Gerät zu zirkulieren, und das Kühlsystem 1 nimmt den Betrieb auf.

Temperatursteuerung

Wenn das Kühlsystem 1 mit dem Betrieb beginnt, vergleicht die Steuereinrichtung eine vom Temperatursensor 22 erfaßte Temperatur T in konstanten Zeitabständen mit einer vorge­ gebenen eingestellten Temperatur To. Genauer gesagt wird in einem ersten Schritt festgestellt, ob die erfaßte Temperatur T gleich der eingestellten Temperatur To ist oder nicht. Wenn festgestellt wird, daß die zwei Temperaturwerte gleich sind, dann vergleicht die Steuereinrichtung 23 diese Tempe­ raturen in konstanten Zeitabständen weiter und läßt die jeweiligen Kühleinheiten 4 arbeiten. Wenn jedoch festge­ stellt wird, daß sie unterschiedlich sind, wird im zweiten Schritt festgestellt, ob T<To ist oder nicht. Wenn das Erstellungsergebnis zeigt, daß T<To ist, wird die Tempera­ turdifferenz zwischen T und To berechnet und umgewandelt in eine Frequenzdifferenz (eine Frequenzsteuergröße Δf) zu der Frequenz, mit der der Motor 31 angetrieben wird. Dann wird diese Frequenzsteuergröße Δf zur Betriebsfrequenz zu diesem Zeitpunkt hinzuaddiert. Anschließend wird diese Summe f+ Δf mit einer Maximalfrequenz ß verglichen. Wenn das Ver­ gleichsergebnis zeigt, daß f+ Δf nicht größer als ß ist, weist die Steuereinrichtung die entsprechenden Einheits­ steuereinrichtungen 24 an, die Betriebsfrequenz auf f+Δf zu ändern. Wenn jede Einheitssteuereinrichtung 24 den Wechsel­ richter 35 steuert, um die Betriebsfrequenz entsprechend der Anweisung zu ändern, nimmt die Steuerung 23 die Temperatur­ vergleichsverarbeitung wieder auf. Die obigen Schritte werden wiederholt, bis T=To wird. Wenn f+Δf größer ist als β, kann die Betriebsfrequenz nicht geändert werden, so daß das elektronische Gerät 2 nicht ohne Veränderungen ange­ messen gekühlt werden kann. In diesem Fall zeigt die Steuerung 23 an einer externen Anzeigevorrichtung an, daß die Temperatur der Kühlflüssigkeit anomal ist, und zeigt auch an, daß mehr Kühleinheiten 4 betrieben werden sollten. Wenn die Gesamtanzahl der an das Kühlsystem 1 angeschlos­ senen Kühleinheiten größer ist als die Anzahl der arbeiten­ den Kühleinheiten 4, weist die Steuereinrichtung 23 eine der Einheitssteuereinrichtungen 24, die einer Kühleinheit 4 in Bereitschaft entspricht, an, diese mit der Betriebsfrequenz f zu starten, um so die Temperatursteuerung mit den vier Kühleinheiten 4 durchzuführen.

Wenn hingegen festgestellt wird, daß T nicht größer ist als To, d. h., daß T niedriger als To ist, wird die Temperatur­ differenz zwischen T und To berechnet und in eine Frequenz­ steuergröße Δf′ umgewandelt, entsprechend dem Fall, in dem festgestellt wird, daß T größer als To ist. Die Frequenz­ steuergröße Δf′ wird von der Betriebsfrequenz f zu diesem Zeitpunkt abgezogen. Anschließend wird die Differenz f-Δf′ mit der Minimalfrequenz α verglichen. Wenn das Vergleichser­ gebnis zeigt, daß f-Δf′ nicht kleiner als a ist, weist die Steuereinrichtung 23 die entsprechenden Einheitssteuerein­ richtungen 24 an, die Betriebsfrequenz auf f-Δf′ zu ändern. Wenn jede Einheitssteuereinrichtung 24 den Wechselrichter 30 steuert, um die Betriebsfrequenz gemäß der Anweisung zu ändern, nimmt die Steuereinrichtung 23 die Temperaturver­ gleichsverarbeitung wieder auf. Die obigen Schritte werden wiederholt, bis T gleich To ist. Wenn f-Δf′ kleiner als α ist, weist die Steuereinrichtung 23 die mit einer der drei arbeitenden Kühleinheiten 4 verbundenen Einheitssteuer­ einrichtung 24 an, die eine Kühleinheit 4 anzuhalten, ohne daß die Betriebsfrequenz f geändert wird. Wenn die Einheitssteuereinrichtung 24 die Kühleinheit 4 gemäß der Anweisung anhält, führt die Steuereinrichtung 23 die Temperatursteuerung unter Verwendung der verbleibenden zwei Kühleinheiten 4 durch.

Erfassung von Störungen in Kühleinheiten

Die Einheitssteuereinrichtungen 24 überwachen ständig die Kühleinheiten 4, um Störungen mit Hilfe diverser in den Kühleinheiten 4 angeordneter Sensoren zu erfassen, zusätz­ lich zur oben beschriebenen veränderbaren Steuerung der Kühleinheiten 4 gemäß einer Anweisung von der Steuerein­ richtung 23. Die diversen Sensoren können einen Drucksensor zum Erfassen des Drucks des vom Kompressor ausgegebenen Kühlmittels, einen Temperatursensor zum Erfassen von dessen Temperatur und dergleichen enthalten. Bei dieser Ausge­ staltung wird mit bezug auf Fig. 8 die Erfassung einer Störung unter Verwendung eines Drucksensors beschrieben.

Jeder der Einheitssteuereinrichtungen 24 holt einen von einem in jeder Kühleinheit 4 angeordneten Drucksensor 14 erfaßten Druckwert P und vergleicht den erfaßten Druck P mit einem vorgegebenen Störungsdruckniveau Ps. Wenn das Vergleichsergebnis zeigt, daß P nicht größer als Ps ist, läßt die Einheitssteuereinrichtung 24 die Kühleinheit 4 den bisherigen Betrieb fortsetzen. Wenn P Ps übersteigt, vergleicht die Einheitssteuereinrichtung 24 P außerdem mit einem Betriebshaltniveau Pt, das höher als Ps ist. Wenn P kleiner ist als Pt, steuert die Einheitsteuereinrichtung 24 den Wechselrichter 35, so daß dieser eine Frequenz f-γ ausgibt, die um einen vorgegebenen konstanten Steuerbetrag γ kleiner ist als die Betriebsfrequenz f zu dieser Zeit. Anschließend werden die obigen Schritte wiederholt, bis P einen normalen Wert aufweist. Wenn P nicht kleiner ist als Pt, schaltet die Einheitssteuereinrichtung 24 die Schalt­ schaltung 36 aus, um den Betrieb der Kühleinheit 4 zu beenden. Dann informiert die Einheitssteuereinrichtung 24 die Steuereinrichtung 23 über die Betriebsbeendigung.

Eingeschränkter Betrieb

Wenn die Steuereinrichtung 23 die Information von der Einheitssteuereinrichtung 24 empfängt, daß eine der drei arbeitenden Kühleinheiten 4 aufgrund einer wie oben beschrieben erfaßten Störung angehalten worden ist, steuert die Steuereinrichtung 23 die Einheitssteuereinrichtungen 24, um einen eingeschränkten Betrieb unter Verwendung der zwei noch arbeitenden Kühleinheiten 4 durchzuführen.

Zuerst wird die Gesamtfrequenz 3f, die die Summe der Be­ triebsfrequenzen f der entsprechenden Kühleinheiten 4 vor dem Auftreten der Störung ist, zu gleichen Teilen durch die Zahl der nach dem Auftreten der Störung arbeitenden Kühl­ einheiten, d. h. zwei, geteilt. Dann weist die Steuerein­ richtung 23 die mit den zwei arbeitenden Kühleinheiten 4 verbundenen Einheitssteuereinrichtungen 24 an, die Betriebs­ frequenz auf den gleich aufgeteilten Wert 3f/2 zu ändern. Wenn jede Einheitssteuereinrichtung 24 den Wechselrichter 35 steuert, um die Betriebsfrequenz entsprechend der Anweisung zu ändern, führt die Steuereinrichtung 23 die oben beschrie­ bene Temperatursteuerung durch, bis eine erfaßte Temperatur gleich der eingestellten Temperatur wird. Die Steuereinrich­ tung 23 überwacht außerdem ständig die Pumpe 3, um Störungen in dieser zu erfassen. Wenn das Auftreten einer Störung in der Pumpe 3 erfaßt wird, zeigt die Steuerung 23 dies auf der externen Anzeigeeinrichtung an, und führt Schritte wie das Anhalten der Kühleinheiten 4 durch.

Obwohl die vorliegende Erfindung speziell in Verbindung mit einer Ausgestaltung beschrieben worden ist, versteht sich, daß sie nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt ist und im Rahmen der Ansprüche abgewandelt werden kann.

Zum Beispiel ist zwar die obige Ausgestaltung für den Fall erläutert worden, daß das Kühlsystem 1 auf ein flüssig­ gekühltes elektronisches Gerät 2 wie einen Computer ange­ wandt wird, doch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt, sondern ist auf andere elektronische Geräte wie luftgekühlte elektronische Geräte umfassend anwendbar.

Auch ist die obige Ausgestaltung zwar für den Fall beschrie­ ben worden, daß drei Kühleinheiten 4 an das Kühlsystem 1 angeschlossen sind, doch kann das Kühlsystem 1 mit vier oder mehr Kühleinheiten versehen sein, wobei die Anzahl der Kühleinheiten entsprechend einer von einem zu kühlenden elektronischen Gerät erzeugten Wärmemenge angepaßt werden kann, wie oben beschrieben.

Mit der hier offenbarten Erfindung erzielte Wirkungen können wie folgt zusammengefaßt werden:

Wenn bei einem Kühlsystem mit einer Mehrzahl von Kühlein­ heiten, von denen jede einen vorgegebenen Kühlbereich hat und deren Kühlleistung innerhalb dieses Bereichs einzeln einstellbar ist, einer Steuereinrichtung zum Steuern des Betriebs aller Kühleinheiten, und Einheitssteuereinrich­ tungen zum Anpassen der Kühlleistung jeweils einer Kühleinheit gemäß Anweisungen von der Steuerung,
ein Kühlbereich, der durch den Betrieb von n Kühleinheiten erzielt wird, mit einem Kühlbereich überlappt, der durch den Betrieb von n+1 Kühleinheiten erzielt wird, wenn Kühl­ leistung entsprechend einer von einem elektronischen Gerät erzeugten Wärmeleistung sowohl durch n Kühleinheiten als auch durch n+1 Kühleinheiten erzeugt werden kann und sowohl n als auch n+1 Kühleinheiten betrieben werden können,
dann wählt die Steuerung den Betrieb unter Verwendung von n+1 Kühleinheiten, um die von jeder Kühleinheit erzeugte Kühlleistung zu verringern, und so eine ausreichende Kühl­ leistungsreserve für jede Kühleinheit zu schaffen. Auf diese Weise kann auch, wenn eine Störung in einer der n+1 Kühl­ einheiten auftritt, die zur Beendigung des Betriebs der Kühleinheit führt, der gesamte Kühlbetrieb mit den ver­ bleibenden n Kühleinheiten aufrechterhalten werden. Da außerdem ein Motor in einem Kompressor mit einer niedrigeren Drehgeschwindigkeit gedreht werden kann, wird ein Lager weniger stark verschlissen, was zur Verlängerung der nutz­ baren Lebensdauer des Lagers führt.

Außerdem ist aus Fig. 5 zu sehen, daß bei dem Kühlsystem gemäß der oben beschriebenen Ausgestaltung der zum Betrieb von drei Kühleinheiten bei einer Frequenz A zur Erzeugung einer Kühlleistung Q(A)×3 entsprechend der Wärmeerzeugungs­ leistung Qh eines elektronischen Geräts (Q(A)×3= Qh) erfor­ derliche Energieverbrauch B(A)×3 kleiner ist als der Energieverbrauch W(B)×2, der zum Betrieb von zwei Kühlein­ heiten mit einer Frequenz B(B<A) erforderlich ist, um die Qh entsprechende Kühlleistung Q(B)×2 zu erzeugen (Q(B)×2 = Qh). Dadurch ist, wenn n+1 Kühleinheiten mit einer niedrigeren Frequenz betrieben werden, der Energieverbrauch geringer, als wenn n Kühleinheiten mit einer höheren Frequenz betrieben werden. Daher ist zu erwarten, daß wenn sowohl n als auch n+1 Kühleinheiten betrieben werden können, der Energieverbrauch verringert werden kann, indem Betrieb mit n+1 Kühleinheiten gewählt wird.

Claims (11)

1. Ein Kühlsystem (1) für ein elektronisches Gerät (2) mit:
einem Strömungspfad (5), in dem ein Kühlmedium umläuft;
einer im Strömungspfad angeordneten Wärmequelle (2);
n+1 parallel zueinander im Strömungspfad angeordneten Kühleinheiten (4) zum Kühlen des Kühlmediums auf einer vorgegebenen Temperatur, die jeweils einen Kompressor aufweisen, dessen Drehgeschwindigkeit durch eine Betriebsfrequenz gesteuert wird, und die in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden können, wobei im ersten Betriebsmodus n+1 Kühleinheiten jeweils mit einer ersten Betriebsfrequenz betrieben werden und im zweiten Betriebsmodus n der n+1 Kühleinheiten jeweils mit einer zweiten Betriebsfrequenz betrieben werden;
einer im Strömungspfad angeordneten Versorgungsein­ richtungen (3) zum Versorgen der Wärmequelle mit dem von den Kühleinheiten gekühlten Kühlmedium;
einer Störungserfassungseinrichtung (22, 14) zum Erfassen von Störungen in den jeweiligen Kühleinheiten; und
einer Schalteinrichtung (23, 24, 35, 36), die auf die Störungserfassungseinrichtungen reagiert, wenn das Auf­ treten einer Störung in einer der im ersten Betriebsmodus arbeitenden Kühleinheiten erfaßt wird, zum Umschalten des Betriebsmodus vom ersten in den zweiten Betriebsmodus.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, zusätzlich mit:
einer Temperaturerfassungseinrichtung (22) zum Erfassen einer Temperatur des von den Kühleinheiten gekühlten Kühlmediums; und
einer Leistungssteuereinrichtung (23, 24, 35) zum Steuern der Kühlleistung einer jeden Kühleinheit auf Grundlage einer von der Temperaturerfassungseinrichtung erfaßten Temperatur.

3. Kühlsystem nach Anspruch 1, zusätzlich mit einer Start­ steuereinrichtung zum Starten des Betriebs der Kühlein­ heiten im ersten Betriebsmodus.

4. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung umfaßt:
Halteeinrichtungen (36) zum Anhalten des Betriebs der Kühleinheit, in der eine Störung aufgetreten ist; und
Frequenzsteuereinrichtungen (35) zum Ändern der Betriebs­ frequenz, mit der n der den Betrieb fortsetzenden Kühleinheiten betrieben werden, auf die zweite Betriebs­ frequenz.

5. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung umfaßt:
Halteeinrichtungen (36) zum Anhalten des Betriebs der Kühleinheit, in der eine Störung aufgetreten ist;
eine Recheneinrichtung (23) zum Durchführen einer vorge­ gebenen Rechnung mit der ersten Betriebsfrequenz vor dem Auftreten einer Störung; und
Frequenzsteuereinrichtungen (35) zum Ändern der Betriebs­ frequenz, mit der die den Betrieb fortsetzenden n Kühleinheiten betrieben werden, auf eine Frequenz, die von der durch die Recheneinrichtung durchgeführten Rechnung abgeleitet wird.

6. Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungssteuereinrichtung umfaßt:
eine Vergleichseinrichtung (23) zum Vergleichen einer von der Temperaturerfassungseinrichtung (22) erfaßten Temperatur mit einer vorab eingestellten Temperatur;
eine Recheneinrichtung (23) zum Berechnen der von der Kühleiheit zu erzeugenden Kühlleistung auf Grundlage des von der Vergleichseinrichtung (23) abgeleiteten Ver­ gleichsergebnisses; und
Anpassungseinrichtungen (24, 35) zum Anpassen der Kühl­ leistung der Kühleinheit an die von der Recheneinrichtung berechnete Kühlleistung.

7. Kühlsystem (1) für ein elektronisches Gerät (2) mit:
einem Strömungspfad (5), in dem ein Kühlmedium zum Kühlen des elektronischen Geräts umläuft;
einer im Strömungspfad angeordneten Versorgungsein­ richtung (3) zum Versorgen des elektronischen Geräts mit Kühlmedium;
Kühleinheiten (4), von denen n oder n+1 in der Lage sind, eine Kühlleistung zu erzeugen, die einer von dem elektro­ nischen Gerät erzeugten Wärmeleistung entspricht, wobei jede dieser Kühleinheiten einen Motor (31) für einen Kompressor (6) aufweist, dessen Drehgeschwindigkeit durch eine Betriebsfrequenz gesteuert wird;
Einrichtungen (21) zum Installieren von n+1 dieser Kühleinheiten (4) in einer Parallelkonfiguration im Strömungspfad;
einer Starteinrichtung (23) zum Starten der n+1 Kühlein­ heiten bei einem Start des Kühlsystems;
einer Störungserfassungseinrichtung (22, 14) zum Erfassen von Störungen in den jeweiligen Kühleinheiten;
Halteeinrichtungen (23, 24, 36), die auf die das Auftreten einer Störung in einer der Kühleinheiten erfassende Störungserfassungseinrichtung reagieren, zum Anhalten des Betriebs der Kühleinheit, in der die Störung aufgetreten ist; und
einer Betriebssteuereinrichtung (23, 24) zum Steuern der Kühlleistungen der jeweiligen Kühleinheiten derart, daß n Kühleinheiten eine Kühlleistung erzeugen, die der von dem Gerät erzeugten Wärmeleistung entspricht.

8. Kühlsystem nach Anspruch 7, zusätzlich mit:
einer Temperaturerfassungseinrichtung (22) zum Erfassen einer Temperatur des von den Kühleinheiten gekühlten Kühlmediums;
einer Vergleichseinrichtung (23) zum Vergleichen einer von den Temperaturerfassungseinrichtungen erfaßten Temperatur mit einer vorab eingestellten Temperatur;
einer Recheneinrichtung (23) zum Berechnen einer Kühl­ leistung einer jeden Kühleinheit auf Grundlage des von der Vergleichseinrichtung abgeleiteten Vergleichser­ gebnisses; und
einer Leistungssteuereinrichtung (23, 24) zum Ändern der Kühlleistung einer jeden Kühleinheit auf die von der Re­ cheneinrichtung berechnete Kühlleistung.

9. Kühlsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebssteuereinrichtung die Betriebsfrequenz steuert, mit der die jeweiligen Kühleinheiten betrieben werden, um die Kühlleistung der Kühleinheiten anzu­ passen.

10. Verfahren zum Steuern eines Kühlsystems (1) für ein elektronisches Gerät (2) mit:
einer Mehrzahl von Kühleinheiten (4) zum Kühlen eines Kühlmediums zum Kühlen des elektronischen Geräts auf eine vorgegebene Temperatur, wobei jede der Kühlein­ heiten einen Motor (31) für einen Kompressor (6) hat, dessen Drehgeschwindigkeit durch eine Betriebsfrequenz gesteuert wird;
einer Versorgungseinrichtung (3) zum Versorgen des elektronischen Geräts mit dem von den Kühleinheiten gekühlten Kühlmedium;
einer in jeder Kühleinheit angeordneten Anpassungsein­ richtung (35) zum Anpassen der Kühlleistung einer jeden Kühleinheit;
einer in jeder Kühleinheit angeordneten Schalteinrich­ tung (36) zum Ein- und Ausschalten der Energieversorgung einer jeden Kühleinheit; und
einer Mehrzahl von Einheitssteuereinrichtungen (24) zum Steuern der Anpassungseinrichtungen und der Schaltein­ richtungen einer jeden der Mehrzahl von Kühlein­ richtungen, welches Verfahren folgende Schritte umfaßt:
Erfassen der Anzahl von Kühleinheiten, wenn ein Maximal­ wert einer Gesamtkühlleistung, die von einer Mehrzahl der Kühleinheiten erzeugt wird, die alle mit derselben Kühlleistung betrieben werden, gleich oder größer als eine vorab eingestellte vom elektronischen Gerät (2) erzeugte Wärmeleistung wird;
Bestimmen, ob ein Minimalwert der Gesamtkühlleistung, die erreicht wird, wenn die erfaßte Anzahl von Kühlein­ heiten plus 1 so betrieben wird, daß jede der Kühlein­ heiten dieselbe Kühlleistung erzeugt, gleich oder kleiner als die erzeugte Wärmeleistung ist;
Wählen der Anzahl von zu betreibenden Kühleinheiten auf Grundlage des Bestimmungsergebnisses;
Erzeugen einer Anweisung an die ausgewählte Anzahl von Einheitssteuereinrichtungen, den Betrieb der Kühlein­ heiten zu starten, wobei die Einheitssteuerungen die Schalteinrichtungen entsprechend der Anweisung steuern, um den Betrieb der Kühleinheiten zu starten;
Erfassen einer Temperatur des von den Kühleinheiten gekühlten Kühlmediums;
Vergleichen der erfaßten Temperatur mit einer vorge­ gebenen eingestellten Temperatur;
Berechnen der von jeder Kühleinheit zu erzeugenden Kühlleistung auf Grundlage des Vergleichsergebnisses; und
Erzeugen einer Anweisung an jede Einheitssteuerein­ richtung, die Kühlleistung einer jeden Kühleinheit auf die berechnete Kühlleistung zu ändern, wobei die Einheitssteuerung die Anpassungseinrichtung gemäß der Anweisung steuert, um die Kühlleistung einer jeden Kühleinheit zu ändern.

11. Verfahren nach Anspruch 10, zusätzlich mit den Schritten:
Erfassen einer Störung, wenn sie in einer Kühleinheit auftritt;
Anhalten der Kühleinheit, in der die Störung aufgetreten ist;
Berechnen einer Kühlleistung, die von jeder Kühleinheit erzeugt werden muß, damit die restlichen, nach dem Auftreten der Störung weiter arbeitenden Kühleinheiten die Kühlleistung erzeugen können, die von den vor dem Auftreten der Störung arbeitenden Kühleinheiten erzeugt wurde; und
Erzeugen einer Anweisung an jede Einheitssteuerein­ richtung, die Kühlleistung der weiter arbeitenden Kühleinheit auf die berechnete Kühlleistung zu ändern, wobei die Einheitssteuereinrichtungen die Anpassungs­ einrichtungen gemäß der Anweisung steuern, um die Kühlleistung der Kühleinheiten zu ändern.