DE4413173C2 - Vorrichtung zur unterbrechungsfreien Kühlung von Geräten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von Geräten mit mindestens einem Umwälzmittel zur Umwälzung eines Kühlmittels, wobei das Umwälzmittel mindestens ein Antriebsmittel und mindestens ein, von dem mindestens einen Antriebsmittel angetriebenes, Verteilungsmittel zur Verteilung des Kühlmittels aufweist.

Kühlvorrichtungen finden an vielen Stellen ihre Anwendung und deren Bedeutung wuchs in den letzten Jahren mit der zunehmenden Wärmeempfindlichkeit der zu kühlenden Bauelemente. Stand der Technik sind heute Lüftersysteme mit mehreren Lüftern, wobei bei Ausfall eines Lüfters versucht wird, den Luftstrom mittels Lüfterklappen so zu gestalten, daß eine ausreichende Kühlung erzielt werden kann. Da sich jedoch bei einem Lüfterausfall der vorher berechnete und optimierte räumliche Luftstrom ändert, verändern sich auch zwangsläufig die Strömungsverhältnisse und damit die Kühlung der Bauelemente. Dies kann zu Überhitzen und daraus resultierenden Defekten, sowie vorzeitigem Altern der Bauelemente oder auch zu einem Abschalten der gesamten Anlage führen.

Aus DE-A-25 03 623 ist eine Belüftungseinrichtung für einen elektrischen Schaltschrank, bei der mindestens zwei Ventilatoren für den Schaltschrank vorgesehen sind, bekannt. Die Ventilatoren sind unmittelbar axial hintereinander angeordnet, wobei mindestens an einem der Ventilatoren eine elektromagnetisch wirkende Sperreinrichtung vorgesehen ist, durch die dieser Ventilator während des Betriebes des anderen Ventilators blockiert ist und ferner die Sperreinrichtung bei einem Betriebsausfall des anderen Ventilators selbsttätig gelöst wird.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Vorrichtung zur weitgehend unterbrechungsfreien Kühlung von Geräten zu erstellen, die im Fehlerfall eines Umwälzmittels die Strömungsverhältnisse des Kühlmittels in dem Gerät im wesentlichen aufrecht erhält.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung bei Ausfall eines oder mehrerer Umwälzmittel die Antriebsleistung der verbleibenden Umwälzmittel zu minimieren und gleichmäßig zu verteilen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch mindestens ein, an das mindestens eine Verteilungsmittel ankoppelbare Hilfsmittel, wobei das mindestens eine Hilfsmittel im Fehlerfall mindestens eines der Antriebsmittel an das jeweilige Verteilungsmittel ankoppelt und die Funktion des Verteilungsmittels im wesentlichen aufrechterhält.

Die Lehre der Erfindung bezieht sich bevorzugt auf die Ventilation gasförmiger Kühlmittel, ist jedoch auf diese nicht begrenzt, sondern kann entsprechend auch für Umwälzvorrichtungen mit Flüssigkeiten angewandt werden.

Weitere, vorteilhafte Ausführungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung sind im folgenden Ausführungsbeispiele mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a den Aufbau einer Kühlvorrichtung nach dem Stand der Technik für die Kühlung einer Vielzahl von elektronischen Steckkarten, wie sie z. B. in Datenverarbeitungsanlagen vorkommen,

Fig. 1b im Schnittbild den Strömungsverlauf in der Anordnung aus Fig. 1a,

Fig. 2 die gemessene Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten bei einem System der Fig. 1a nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 Ausführungsform der Erfindung, die eine sichere Kühlung der Kühlvorrichtung aus Fig. 1a auch im Fehlerfalle eines der Lüfter ermöglicht,

Fig. 4 eine erweiterte Kühlvorrichtung mit vier Lüftern mit jeweils gleichem Drehsinn,

Fig. 5 den Aufbau eines Lüfters mit redundantem Lager in Schnittbilddarstellung,

Fig. 6 den Aufbau der Kühlvorrichtung nach Fig. 3 mit einer Kontrolleinheit.

Fig. 1a zeigt den Aufbau einer Kühlvorrichtung 10 für die Kühlung einer Vielzahl von elektronischen Steckkarten 12 und 13, wie sie z. B. in Datenverarbeitungsanlagen vorkommen. Die Kühlvorrichtung 10 enthält einen ersten Lüfter 14 und einen zweiten Lüfter 16 zur Ventilation der Luft in der Kühlvorrichtung 10.

Fig. 1b zeigt nun im Schnittbild den Strömungsverlauf in der Anordnung nach Fig 1a. Die Luft tritt auf der Seite der Kühlvorrichtung 10 an der mit Pfeil 20 bezeichneten Stelle ein, nimmt dann - in Pfeilrichtung - den Weg 22 bis 30 und verläßt die Kühlvorrichtung an der, Pfeil 20 gegenüberliegenden, Stelle 32. Dabei überstreicht die Luft zuerst die Oberfläche der linken Steckkarten 12, wird von den Lüftern 14 oder 16 angetrieben, um dann die rechten Steckkarten 13 zu überstreichen.

Im Fehlerfalle einer der Lüfter 14 oder 16 werden bei Kühlvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik (nicht gezeigte) Verteilungsklappen so ausgerichtet, daß eine Belüftung aller Karten gewährleistet werden kann. Fig. 2 zeigt die gemessene Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten bei einem solchen System. An der Abszisse sind die Kartenpositionen und entlang der Ordinate die, an dem jeweiligen Kartenmittelpunkt gemessenen, Luftgeschwindigkeiten qualitativ aufgetragen. Kartenposition 1 bezeichnet dabei die in Fig. 1a für die Steckkarten 12 oder 13 am weitesten links gezeichneten Karten.

Verlauf 40 stellt die Strömungsverteilung im Normalbetrieb dar, wobei beide Lüfter 14 und 16 mit Normaldrehzahl (1300 Upm) arbeiten. Verlauf 42 zeigt nun die Strömungsverteilung an den Steckkarten bei Ausfall des linken Lüfters 14 und Verlauf 44 die Verteilung bei Ausfall des rechten Lüfters 16. Dabei wird der jeweilig noch verbleibende Lüfter 16 bzw. 14 mit maximaler Drehzahl (1950 Upm) betrieben. Wie man aus den Verläufen 42 und 44 entnehmen kann, fällt die Strömungsgeschwindigkeit an den Steckkarten über dem noch funktionierenden Lüfters etwa um ein Viertel und über dem ausgefallenen Lüfter auf etwa die Hälfte, trotz maximaler Drehzahl. Eine ausreichende Kühlung ist damit für alle Karten und die darauf enthaltenen Bauelemente nicht mehr gewährleistbar und die Anlage muß nach einiger Zeit zum Schutz empfindlicher Elemente abgeschaltet werden.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die eine sichere Kühlung der Kühlvorrichtung 10 auch im Fehlerfalle eines der Lüfter 14 oder 16 ermöglicht. Lüfter 14 und 16 bestehen jeweils aus einem Antrieb 50 bzw. 52, der Motor und Lagerung enthält, und einem Lüfterrad 54 bzw. 56 zur Ventilation der Luft. Ankoppelbar an die Lüfterräder 54 und 56 ist nun ein Koppelglied 58 ausgeführt. Im Fehlerfall einer der beiden Lüfter 14 oder 16 koppelt das Koppelglied 58 an beide Lüfterräder 54 und 56 an (durch den gestrichelten Kreis dargestellt) und hält damit die Funktion des ausgefallenen Lüfters mit gleichbleibenden Drehsinn aufrecht.

Die Funktionsweise des Koppelgliedes 58 kann prinzipiell passiver oder aktiver Natur sein. Im passiven Fall kann das Koppelglied ein Getriebe, Reibrad, Zahnrad, Riemen, Kegelrad oder dergleichen sein, das im Fehlerfall eines ersten Lüfters diesen an mindestens einen zweiten oder mehrere Lüfter ankoppelt und durch Kraftübertragung den defekten Lüfter mitbewegt. Im aktiven Fall weist das Koppelglied zusätzlich noch einen eigenen Antrieb auf und muß nun - im Gegensatz zum passiven Fall - nur an den defekten Lüfter ankoppeln und treibt diesen dann selbst aktiv an. Durch die im wesentlichen punktförmige Ankopplung des Koppelglieds an die Lüfterräder bleibt bei einem parallelen Aufbau der Lüfter 14 und 16 deren Drehrichtung auch im Fehlerfall erhalten. Die Drehrichtung der einzelnen Räder ist in Fig. 3 durch entsprechende Pfeile dargestellt.

Fig. 4 zeigt eine erweiterte Kühlvorrichtung mit vier Lüftern 14, 16, 60 und 62 mit jeweils gleichem Drehsinn. Lüfter 60 weist dabei ein Lüfterrad 64 und Lüfter 62 ein Lüfterrad 66 auf. Für das Koppelglied 58 ergibt sich nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die Funktion eines oder mehrerer ausgefallener Lüfter aufrecht zu erhalten. Im einfachsten Fall wird Koppelglied 58, z. B. bei Ausfall von Lüfter 14, entweder an das Lüfterpaar 14 und 16 oder an das Lüfterpaar 14 und 60 angekoppelt. Damit ergibt sich ein Freiheitsgrad bei der Auswahl des Lüfterpaares, der insbesondere bei längeren Ausfallzeiten eine entscheidende Rolle spielen kann, indem das Lüfterpaar variiert werden kann und so die Überlastung eines aufrechterhaltenden Lüfters vermieden werden kann. Wird das Koppelglied 58 jedoch in Form eines Kegelrades mit variablem Außendurchmessers ausgeführt, ergibt sich ein weiterer Freiheitsgrad dadurch, daß nun an alle Lüfter gleichzeitig angekoppelt werden kann. Damit verteilt sich die Antriebsleistung gleichmäßig auf alle antreibenden Lüfter und reduziert damit die Belastung eines einzelnen Lüfters. Auch können nun die Funktionen mehrerer ausgefallener Lüfter mit der gleichen Anordnung aufrecht erhalten werden. Die möglichen Positionen des Koppelgliedes 58 für den erläuterten Freiheitsgrad sind durch gestrichelte Linien in Fig. 4 dargestellt.

Häufig kommt es auch vor, daß in den Antriebseinheiten der Lüfter die Lager beschädigt werden und so einen Ausfall des Lüfters zur Folge haben. Eine Funktionsaufrechterhaltung des Lüfters wie oben ausgeführt, würde jedoch durch den Lagerschaden die Funktion der über das Koppelglied 58 antreibenden Lüfter beeinträchtigen und könnte sogar, bedingt durch die erhöhte Lagerreibung, ein Mitausfallen der antreibenden Lüfter zur Folge haben. Um nun die Lüfterfunktion auch bei einem Lagerschaden zu erhalten, weist bei einer Ausführungsform wie in Fig. 5 dargestellt der Lüfter ein zusätzliches, redundantes Lager auf.

Fig. 5 zeigt den Aufbau des Lüfters 14 mit redundanten Lager in Schnittbilddarstellung. Lüfterrad 54 ist bei dieser Ausführungsform außen angeordnet und wird von dem innenliegenden Antrieb 50 angetrieben. Antrieb 50 besteht aus der Motorwelle 72, Motorstator 74 sowie aus Antriebslager 76 an dem einen Ende des Motorstators 74 und Antriebslager 78 an dem anderen Ende des Motorstators 74.

Das Lüfterrad 54 besteht aus einem Motorrotor 80, Laufrad 82 mit rotationssymmetrisch darauf angeordneten Fächerblättern 84 zur Richtung des Luftstromes 70, sowie einem ersten redundanten Lager 86 und einem zweiten redundanten Lager 88 mit Kupplung. Weiterhin ist an die Fächerblätter 84 ein Kupplungsrad 90 zur Ankopplung des Kopplungsglied 58 an den Lüfter 14 angebracht.

In Normalbetrieb rotiert die Motorwelle 72 in dem Lagersystem gebildet aus den Antriebslagern 76 und 78. Das redundante Lager 88 ist mit einer (Freilauf-) Kupplung versehen, die bei Antrieb durch den internen Motor 50 schließt. Damit rotieren die redundanten Lager 86/88 im Normalbetrieb ohne Nutzung deren Lagerfunktion - und damit verschleißfrei - mit.

Bei Ausfall eines Antriebslagers 76 und/oder 78 und Antrieb des Laufrades 82 über das Kopplungsglied 58 und das Kupplungsrad 90 öffnet die Kupplung des Lagers 88. Der Motorrotor 80 ist damit in dem redundanten Lagersystem 86/88 gelagert. Die eventuell defekten Lager 76 und/oder 78 können stillstehen ohne die Rotation des Laufrades 82 zu behindern.

Fig. 6 zeigt den Aufbau der Kühlvorrichtung nach Fig. 3 mit einer Kontrolleinheit 100. Die Kontrolleinheit 100 koppelt an den Lüfter 14 über eine Leitung 102 an dessen Lüfterrad 54 und über eine Leitung 104 an dessen Antrieb 50. Kontrolleinheit 100 koppelt im passiven Fall weiter an den Lüfter 16 über eine Leitung 106 an dessen Lüfterrad 56 und über eine Leitung 108 an dessen Antrieb 52. Das Koppelglied 58 wird von der Kontrolleinheit 100 über eine Leitung 110 angesteuert und gibt über eine optionale Leitung 112 Informationen über seine Betriebsbedingungen an die Kontrolleinheit 100 zurück. Als Ausgabe hat die Kontrolleinheit 100 eine Leitung 114, über die die Kontrolleinheit 100 im Fehlerfall eines Lüfters ein Fehlersignal abgibt und somit zu einer schnellen Fehlererkennung verhilft.

Die Lüfter 14 und 16 melden über die entsprechenden Leitungen der Kontrolleinheit 100 etwaige auftretende Fehler und Unregelmäßigkeiten in den Betriebsbedingungen der Lüfter, wie z. B. einen Antriebsausfall oder einen Lagerschaden. Die Kontrolleinheit 100 wertet diese Signale aus und steuert dementsprechend die Funktionsweise des Koppelglieds 58 zur Aufrechterhaltung der Lüfterfunktion der gesamten Kühlvorrichtung 10. Im aktiven Fall steuert die Kontrolleinheit 100 dann die Ankopplung des Koppelglieds 58 entweder selektiv an den jeweiligen defekten Lüfter oder aber auch zusätzlich an noch funktionierende Lüfter um eine gleichmäßigere Verteilung der Antriebsleistung zu ermöglichen.

Im passiven Fall steuert Kontrolleinheit 100 die Funktionsweise des Koppelglieds 58, indem sie eine Kraftübertragung durch eine geeignete Verbindung des Koppelglieds 58 von mindestens einem noch funktionierenden Lüfter auf den defekten Lüfter ermöglicht. Dazu wird das Koppelglied 58 an den defekten Lüfter und an einen weiteren funktionierenden Lüfter herangefahren. Wie bereits oben ausgeführt findet die Kraftübertragung dann entweder über Haftreibung oder jede Form eines Getriebes statt. Über Leitung 112 kann die Kontrolleinheit 100, z. B. auf Grund der übermittelten Drehraten des Koppelglieds 58 und der Lüfter, den Aufbau einer erfolgreichen Kraftübertragung und damit die Wiederherstellung der gesamten Lüfterfunktion der Kühlvorrichtung 10 überwachen.

Bei einem Aufbau nach Fig. 4 mit vier oder mehr Lüftern findet die in Fig. 6 dargestellte Funktionsweise analog Anwendung mit dem Unterschied, daß die Kontrolleinheit 100 nun die oben erläuterten Freiheitsgrade bei der Ankopplung berücksichtigen kann. Insbesondere kann die Kontrolleinheit 100 durch Auswahl den antreibenden Lüfter variieren oder, bei geeigneten Aufbau durch Variation der Außendurchmesser, an alle Lüfter gleichzeitig ankoppeln und damit die Antriebsleistung auf alle Lüfter verteilen. Bei einer weiteren Ausführungsform hat das Koppelglied 58 eine Kegelform und kann so durch Höhenverstellung den Außendurchmesser einstellen.

Das wie oben beschriebene Prinzip des Aufrechterhaltens der Funktion eines Lüfters kann analog auf jede Form von Lüftern übertragen werden.

Claims (12)

1. Vorrichtung (10) zur Kühlung von Geräten (12, 13) mit
mindestens einem Umwälzmittel (14) zur Umwälzung eines Kühlmittels, wobei das Umwälzmittel (14)
mindestens ein Antriebsmittel (50) und
mindestens ein, von dem mindestens einen Antriebsmittel (50) angetriebenes, Verteilungsmittel (54) zur Verteilung des Kühlmittels aufweist;
gekennzeichnet durch
mindestens ein, an das mindestens eine Verteilungsmittel (54) ankoppelbare, Hilfsmittel (58);
wobei das mindestens eine Hilfsmittel (58) im Fehlerfall mindestens eines der Antriebsmittel (50) an das jeweilige Verteilungsmittel (54) ankoppelt und die Funktion des Verteilungsmittels (54) im wesentlichen aufrechterhält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Hilfsmittel (58) im Fehlerfall eines ersten Antriebsmittels (50) so an ein von dem ersten Antriebsmittel (50) angetriebenes erstes Verteilungsmittel (54) ankoppelt, daß das erste Verteilungsmittel (54) von mindestens einem weiteren Antriebsmittel (52) eines weiteren Umwälzmittels angetrieben wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Hilfsmittel (58) ein Antriebsmittel aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Hilfsmittel (58) ein Koppelglied zur Übertragung einer Rotationsbewegung aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Koppelglieds einstellbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelglied ein Getriebe, Reibrad, Zahnrad, Riemen oder Kegelrad ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Umwälzmittel (14) mindestens ein redundantes Lager (86, 88) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signalmittel einen auftretenden Fehler signalisiert.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Verteilungsmittel (54) ein Laufrad, Lüfter- oder Flügelrad (87) ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Umwälzmittel (14) ein Ventilator zur Ventilation von Luft oder eines anderen gasförmigen Kühlmittels ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel gasförmig ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel eine Flüssigkeit ist.