DE69528783T2

DE69528783T2 - Verbesserung im thermischen Verwaltungssystem

Info

Publication number: DE69528783T2
Application number: DE69528783T
Authority: DE
Inventors: Donald C. Price; Byron E. Short; Richard M. Weber
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1994-02-04
Filing date: 1995-02-06
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2015-02-07
Also published as: JPH0835755A; EP0666214B1; US5507150A; EP0666214A1; DE69528783D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Wärmemanagementtechnik, auf der eine komplette neue Gattung von Wärmemanagementsystemen für Luftfahrzeuge basiert. Darüber hinaus schafft die Erfindung ein Mittel, um Wärmemanagementsysteme, bei welchen Ammoniak (oder eine andere gefährliche Flüssigkeit) als verbrauchbare Flüssigkeit verwendet wird, sicher und unter voller Wärmebelastung im Labor testen zu können.

KURZE BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Zukünftige elektronische Systeme für Militärflugzeuge, die derzeit entwickelt werden, werden etwa drei- bis fünfmal soviel Abwärme erzeugen wie elektronische Systeme, die derzeit verwendet werden. Dies hat zur Folge, dass die heutigen Wärmemanagementsysteme für Militärflugzeuge keine ausreichende Kapazität haben, um mit diesen zukünftig zu erwartenden Abwärmebelastungen umgehen zu können. Es können zwar Wärmemanagementsysteme auf der Basis der jetzigen Technologie und jetziger Verfahren gebaut werden, welche erwartete Wärmebelastungen aufnehmen können. Wenn diese Systeme jedoch verwendet würden, wäre mehr Triebwerks-Zweitluft und/oder Staudruck-Luft erforderlich, was wiederum zu einer verminderten Triebwerksleistung bzw. Leistung des Flugzeugs führen würde.
Da die Staudruck-Luft nur bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten für wirksame Kühlung sorgt, liegt kein Vorteil darin, mehr Staudruck-Luft zu haben, da diese Kühlquelle bei höheren Geschwindigkeiten nicht eingesetzt werden kann. Bei Wärmemanagementsystemen für Luftfahrzeuge nach dem Stand der Technik wurden Dampfkreislaufsysteme verwendet. Dampfkreislaufsysteme führen Abwärme von elektronischen Systemen ab und geben eine derartige Wärme auf drei verschiedene Arten ab. Erstens wird die Abwärme auf den Turbinentreibstoff auf dessen Weg zum Triebwerk übertragen. Zweitens wird kalte Triebwerks-Zweitluft verwendet, um Wärme aus dem Dampfkreislauf abzuführen. Drittens wird die Staudruck-Luft auch zum Abführen von Wärme aus dem Dampfkreislauf verwendet. Die Kapazität von Dampfkreislaufsystemen ist begrenzt durch die Menge des Treibstoffdurchsatzes und die Menge der Zweitluft, die den Triebwerken des Luftfahrzeugs entzogen werden können, ohne die Leistung des Luftfahrzeugs zu vermindern. Auch der Staudruck-Luft sind Grenzen gesetzt, da sie oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs keinen Kühlungseffekt mehr erzielt.
Bei Wärmemanagementsystemen für Luftfahrzeuge nach dem Stand der Technik wurden auch Luftkreislaufsysteme eingesetzt, bei welchen die Triebwerks-Zweitluft und die Staudruck-Luft zum Abführen von Abwärme verwendet wurden. Auch bei dieser Art von System ist die Leistung durch die Menge der Zweitluft, die dem Triebwerk entzogen werden kann, und durch die Verfügbarkeit von Staudruck-Luft begrenzt. Bei diesen Arten von Systemen sind Erhöhungen der Wärmemanagement-Kapazität nicht ohne inakzeptable Verminderung der Leistung des Luftfahrzeugs möglich.
Es zeigt sich also, dass Luftfahrzeuge eine begrenzte Kühlkapazität haben und dass es somit notwendig ist, ein System zur Kühlung von Ausrüstungsteilen der Bordelektronik zu erfinden, bei dem Luftfahrzeugsystem entweder überhaupt nicht oder nur in geringem Maß "angezapft" wird.
Derzeit werden mehrere Wärmemanagementsysteme für Flugkörper entwickelt, bei welchen Ammoniak als verbrauchbares Kühlmittel verwendet wird. Bei diesen Systemen wird Abwärme aus der elektronischen Anordnung oder aus anderen Arten von Anordnungen abgeführt, wenn das Ammoniak siedet und vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Der Dampf wird dann aus dem Flugkörper ausgestoßen und nimmt die Abwärme mit sich. Obwohl auch andere Flüssigkeiten als verbrauchbares Kühlmittel zur Verfügung stehen, haben diese nicht die geeigneten "Sättigungs- Temperatur/Druck"-Eigenschaften, oder sie haben eine ungenügende latente Ver dampfungs-wärme, um mit einem System mit angemessenem Gewicht und angemessener Größe für die gewünschte Temperaturregelung zu sorgen. Das Testen derartiger Systeme im Labor gilt aufgrund der Gefährlichkeit von flüssigem und dampfförmigem Ammoniak als Sicherheits- und Ausführungsproblem. Damit diese Systeme erfolgreich und sicher ausgeführt werden können, ist offensichtlich ein Mittel erforderlich, das es erlaubt, Wärmemanagementsysteme mit verbrauchbarer Flüssigkeit auf der Basis von Ammoniak bei der Fabrikation sicher zu testen.
Das Dokument US-A-2,925,722, auf dem die Oberbegriffe der Hauptansprüche basieren, schlägt ein Kühlsystem für Luftfahrzeuge vor, bei dem eine verbrauchbare Flüssigkeit über eine Drossel einem Wärmetauscher zugeführt wird. In großen Höhen wird Wasser verwendet, doch bei geringeren Höhen (unterhalb etwa 11000 Meter) ist der Siedepunkt von Wasser zu hoch, so dass stattdessen Freon verwendet werden kann. In dem Dampfauslass kann ein Gegendruckregler vorgesehen sein, um zu verhindern, dass der Druck in dem Wärmetauscher zu niedrig und somit der Kühleffekt zu groß wird.
Das Dokument EP-A-0 480 750 schlägt ein Kühlsystem für LSI-Baueinheiten vor, bei dem die Baueinheiten in einer Kühlkammer montiert sind. In die Kammer wird ein Kühlmittel gepumpt, und der Druck in der Kammer wird durch eine Saugpumpe verringert, um das Verdampfen des Kühlmittels zu fördern.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Wärmemanagementsystem zur Abfuhr von Wärme aus einem elektronischen System, das folgende Elemente aufweist: eine Quelle einer verbrauchbaren Flüssigkeit; einen Wärmetauscher; ein Zufuhrregelsystem für die geregelte Zufuhr der verbrauchbaren Flüssigkeit zum Wärmetauscher; und ein Vakuumregelsystem zum Aufrechterhalten eines geregelten Vakuums in dem Wärmetauscher durch Ausstoßen von in dem Wärmetauscher gebildeten Dämpfen der verbrauchbaren Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher; dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen (a) einem Kühlmittelstrom, der in einem geschlossenen Kreislauf durch ein elektronisches System gepumpt wird, von dem Wärme abzuführen ist, und (b) der verbrauchbaren Flüssigkeit sorgt; und dass
das Vakuumregelsystem entweder
(i) eine Vakuumpumpe, einen die Vakuumpumpe steuernden Motor und eine Motorregelung aufweist, die auf einen vorherbestimmten Parameter reagiert, der mit dem Wärmetauscher zusammenhängt, um die Drehzahl des Motors zu steuern, oder
(ii) einen Ejektor und eine Luftdrossel, in dem der Luftdrossel Druckluft zugeführt wird, und Luft aus der Luftdrossel durch die Größe des Vakuums im Wärmetauscher geregelt wird und über eine Düse in den Ejektor strömt, um das Vakuum zu erzeugen.
Die Erfindung schafft auch ein Wärmemanagementsystem zur Abfuhr von Wärme aus einem elektronischen System, das aufweist: eine Quelle einer verbrauchbaren Flüssigkeit; einen Wärmetauscher; ein Zufuhrregelsystem für die geregelte Zufuhr der verbrauchbaren Flüssigkeit zum Wärmetauscher; und ein Vakuumregelsystem zum Aufrechterhalten eines geregelten Vakuums in dem Wärmetauscher durch Ausstoßen von in dem Wärmetauscher gebildeten Dämpfen der verbrauchbaren Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher; dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen (a) einem Kühlmittelstrom, der in einem geschlossenen Kreislauf durch ein elektronisches System gepumpt wird, von dem Wärme abzuführen ist, und (b) der verbrauchbaren Flüssigkeit sorgt; und dass
das geregelte Zufuhrsystem auf ein Feedback-Signal von dem geregelten Vakuumsystem reagiert, um den Durchsatz des geregelten Zufuhrsystems zu steuern.
Die Erfindung schafft darüber hinaus ein Wärmemanagementverfahren zur Abruhr von Wärme aus einem elektronischen System, welches umfasst: Bereitstellen einer Quelle einer verbrauchbaren Flüssigkeit; Bereitstellen eines Wärmetauschers; Zuführen der verbrauchbaren Flüssigkeit zum Wärmetauscher mit einem geregelten Durchsatz; und Aufrechterhalten eines geregelten Vakuums in dem Wärmetauscher durch Ausstoßen von in dem Wärmetauscher gebildeten Dämpfen der verbrauchbaren Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher;
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen (a) einem Kühlmittelstrom, der in einem geschlossenen Kreislauf durch ein elektronisches System gepumpt wird, von dem Wärme abzuführen ist, und (b) der verbrauchbaren Flüssigkeit sorgt;
und durch Regelung des Vakuums entweder durch
(i) eine Vakuumpumpe, einen die Vakuumpumpe steuernden Motor und einen Motorregler, der auf einen vorherbestimmten Parameter reagiert, der mit dem Wärmetauscher zusammenhängt, um die Drehzahl des Motors zu regeln, oder
(ii) durch einen Ejektor und eine Luftdrossel, in dem der Luftdrossel Druckluft zugeführt wird, und Luft aus der Luftdrossel durch die Größe des Vakuums im Wärmetauscher geregelt wird und über eine Düse in dem Ejektor strömt, um das Vakuum zu erzeugen.
Außerdem schafft die Erfindung ein Wärmemanagementverfahren zur Abfuhr von Wärme aus einem elektronischen System, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen einer Quelle einer verbrauchbaren Flüssigkeit; Bereitstellen eines Wärmetauschers; geregeltes Zuführen der verbrauchbaren Flüssigkeit zum Wärmetauscher; und Aufrechterhalten eines geregelten Vakuums in dem Wärmetauscher durch Ausstoßen von in dem Wärmetauscher gebildeten Dämpfen der verbrauchbaren Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher;
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen (a) einem Kühlmittelstrom, der in einem geschlossenen Kreislauf durch ein elektronisches System gepumpt wird, von dem Wärme abzuführen ist, und (b) der verbrauchbaren Flüssigkeit sorgt; und durch
Regelung des Durchsatzes der verbrauchbaren Flüssigkeit als Reaktion auf ein Feedback-Signal von dem geregelten Vakuumsystem.
Mit der Erfindung ist es möglich, einen vollkommen anderen Ansatz für das Wärmemanagement bei Luftfahrzeugen zu schaffen, wodurch eine adäquate Wärmeregelung deutlich größerer Wärmebelastungen als beim Stand der Technik ermöglicht wird, ohne die Leistung des Triebwerks des Luftfahrzeugs zu vermindern. Tatsächlich könnte sich bei einigen Anwendungsbeispielen die Triebwerksleistung sogar verbessern, da weniger oder keine Zweitluft erforderlich ist. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit derzeit verwendeten Wärmemanagementsystemen verwendet werden, um die Kapazität der jetzigen Wärmemanagementsysteme zu verbessern oder die Kapazität zu schaffen, um mit Spitzenwärmebelastungen umgehen zu können.
Kurz gesagt, es wird ein Wärmemanagementsystem geschaffen, bei dem eine verbrauchbare Flüssigkeit verwendet wird, die beim Absorbieren der Abwärme eine Phasenänderung zu Dampf erfährt und auch eine hohe latente Verdampfungswärme aufweist. Der entstehende Dampf wird an die Atmosphäre abgegeben und nimmt die Abwärme mit sich. Ein einzigartiger Aspekt der Erfindung ist die Verwendung einer Vakuumquelle zum Senken des Drucks im Verdampfer. Das Senken des Drucks senkt die Temperatur, bei der die Verdampfung stattfindet. Hierdurch wird es möglich, eine Flüssigkeit bzw. Mischung von Flüssigkeiten zu verwenden, die eine hohe latente Verdampfungswärme aufweist, aber normalerweise bei einer Temperatur verdampfen würde, die höher ist als gewünscht, oder die andernfalls in der anzutreffenden Umgebung nicht normal funktionieren würde. Die Verwendung einer Vakuumquelle erlaubt es, Flüssigkeiten mit höherer latenter Verdampfungswärme, die andernfalls nicht einsetzbar wären, zu verwenden, indem ihre Sättigungs-Temperatur/Druck-Eigenschaften geändert werden.
Bei Wärmemanagementsystemen, bei welchen eine gefährliche verbrauchbare Flüssigkeit wie Ammoniak verwendet wird, ermöglicht es die Erfindung, während des Tests unter Vollwärmebelastung im Labor oder bei der Fabrikation ein sichereres Fluid wie Methanol als Ersatzstoff zu verwenden. Bei dieser Anwendung wird ein weniger gefährliches verbrauchbares Kühlmittel mit einer Vakuumquelle verwendet, um den Druck des Fluids zu senken, wodurch wiederum die Verdampfungstemperatur der Ersatzflüssigkeit gesenkt wird. Durch angemessene Regelung des Vakuumniveaus und korrekte Auswahl des Fluids kann erreicht werden, dass der Ersatzstoff mit Wärmeeigenschaften arbeitet, die dem Fluid, das es ersetzt, ähnlich sind. Auf diese Weise kann das System mit nahezu identischer thermischer Leistung getestet werden.
Gemäß den dargestellten Ausführungsformen der Erfindung wird das Fluid reguliert. Das regulierte Fluid fließt in eine Verdampfer/Wärmetauscher-Anordnung, in der der Druck durch ein Vakuumsystem gesenkt wird. Abwärme, die durch den Kreislauf für den Kühlmittelstrom zu dem Verdampfer/Wärmetauscher transportiert wird, bewirkt, dass die verbrauchbare Flüssigkeit bei einer Temperatur siedet, die zum Kühlen der elektronischen Systeme geeignet ist. Um eine maximale Wirksamkeit zu gewährleisten, wird ein Durchflussregler verwendet, um den Durchsatz des Fluids aus dem unter Druck gesetzten Behälter zu der Verdampfer/Wärmetauscher-Anordnung zu regeln.
Mit dem oben beschriebenen System wird der Kühleffekt dadurch erzielt, dass die verbrauchbare Flüssigkeit von der flüssigen Phase in die Gas- bzw. Dampfphase übergeht und während der Phasenänderung Wärme aus dem Kreislauf für den Kühlmittelstrom absorbiert. Das Vakuumsystem ist notwendig, um einen Systemdruck zu schaffen, der zu einer geeigneten Sättigungstemperatur führt, bei welcher die Verdampfung einsetzt. Der Fluid-Durchsatz wird abhängig davon geregelt, wie groß die erzeugte Wärmebelastung ist. Auch das Vakuumsystem wird auf verschiedene Arten geregelt, um das Vakuumniveau aufrechtzuerhalten, basierend auf einem Feedback aufgrund der erzeugten Wärme, wobei das Vakuumniveau die Siedetemperatur der verbrauchbaren Flüssigkeit und hierdurch auch die Menge der Flüssigkeit und die Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit die Wärme absorbieren kann, bestimmt.
Die primär in Frage kommenden verbrauchbaren Flüssigkeiten für das oben beschriebene System sind Ammoniak, Methanol und Wasser. Obwohl mit Ammoniak gearbeitet werden könnte, ohne dass ein Vakuumsystem erforderlich wäre, ist es aufgrund seiner Toxizität und der Gefährlichkeit für den Menschen nicht akzeptabel, außer, wenn Bedingungen vorherrschen, bei welchen es nicht mit Menschen in Kontakt kommt, wenn es verbraucht wird, wie beispielsweise bei dem Raketen-System. Somit verbleiben Methanol und Wasser als derzeit akzeptable, in Frage kommende Stoffe für die meisten Systeme. Methanol ist eine machbare Alternative, wobei für Methanol die Verwendung eines Vakuumsystems erforderlich ist. Obwohl auch für Wasser ein Vakuumsystem notwendig ist, hat es jedoch den wesentlichen Vorteil, dass es eine etwa zweimal so hohe latente Verdampfungswärme aufweist wie Methanol. Das bedeutet, dass etwa die Hälfte des Gewichts des Wassers erforderlich ist, um die gleiche Abwärmeenergie abzuführen wie bei Methanol. Darüber hinaus kann eine Mischung dieser verbrauchbaren Flüssigkeiten verwendet werden, falls Eigenschaften, die für jede der Flüssigkeiten einzigartig sind, notwendig sind. So würde beispielsweise eine Mischung aus Wasser und Methanol eine Flüssigkeit mit einer Gefriertemperatur bilden, die niedriger ist als die von Wasser allein, da das Methanol eine niedrigere Gefriertemperatur hat als Wasser und daher in manchen Fällen notwendig wäre, um zu verhindern, dass die verbrauchbare Flüssigkeit gefriert. Somit ist derzeit Wasser die bevorzugte verbrauchbare Flüssigkeit und Methanol, entweder allein oder in Kombination mit Wasser, ist die bekannte verbrauchbare Flüssigkeit, die in zufriedenstellender Weise verwendet werden kann, während Ammoniak bei einigen Flugkörper-Anwendungen entweder allein oder in Kombination mit einem oder mehreren geeigneten Fluids verwendet werden kann.
Ein Wärmemanagementsystem für Luftfahrzeuge mit verbrauchbarer Flüssigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung schafft ein Mittel zum Abführen von Abwärme aus der Bordelektronik von Luftfahrzeugen, ohne dass hierfür Triebwerks-Zweitluft verwendet und eine entsprechende Abnahme der Triebwerksleistung bewirkt wird. Das System kann ein eigenständiges Wärmemanagementsystem ohne Einsatz von Zweitluft oder Staudruck-Luft sein, oder es kann dazu verwendet werden, die Kühlkapazität eines bereits existierenden Wärmemanagementsystems eines Luftfahrzeugs zu erhöhen. Der Kühleffekt wird durch eine verbrauchbare Flüssigkeit erzielt, die eine Phasenänderung erfährt.
Ein einzigartiges Merkmal der Erfindung ist der Einsatz eines Vakuumsystems zum Senken der Temperatur, bei der die Verdampfung der verbrauchbaren Flüssigkeit stattfindet. Die Fähigkeit, die Verdampfungstemperatur zu senken, erlaubt es scheinbar ungeeigneten Flüssigkeiten, verwendet zu werden. So hat beispielsweise Wasser die höchste latente Verdampfungswärme, doch ohne ein Vakuumsystem findet die Verdampfung bei einer Temperatur statt, die für einen zuverlässigen Betrieb der Bordelektronik zu hoch ist.
Mit dem Vakuumsystem kann Wasser bei einer geeigneten Temperatur verwendet werden. Ein geeignetes Vakuum würde den Dampfdruck bei 1,3 psia halten, was eine Verdampfung bei 43ºC möglich macht. In ähnlicher Weise ermöglicht die Anwendung eines Vakuums zusammen mit Methanol eine Simulation von Ammoniak in Situationen, in denen Ammoniak als verbrauchbares Kühlmittel verwendet wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1A, 1B und 2 vereinfachte schematische Diagramme von Wärmemanagementsystemen nach dem Stand der Technik, die hauptsächlich bei Luftfahrzeugen verwendet werden; und
Fig. 3 bis 10 schematische Diagramme von Wärmemanagementsystemen gemäß einem ersten Satz Ausführungsformen der Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In Fig. 1A, 1B und 2 sind zunächst vereinfachte schematische Diagramme von bereits existierenden Regelsystemen für Umgebungsbedingungen bei Luftfahrzeugen darge stellt. Diese Systeme sind durch die maximale Temperatur beschränkt, bis zu welcher der Treibstoff für das Luftfahrzeug erwärmt werden kann. Wie aus Fig. 1A ersichtlich, wird die Wärmelast der Elektronik durch einen Kühlmittelstrom abgekühlt, der durch einen geschlossenen Kreislauf gepumpt wird und einen Verdampfer passiert, der die Wärme aus diesem Strom abführt. Der Verdichter ist ein Teil eines zweiten geschlossenen Kreislaufs, der den Dampf, welcher in dem Verdampfer durch Abführen von Wärme aus dem Kühlmittelstrom entstanden ist, zu einer Flüssigkeit verdichtet und diese durch einen Lastwärmetauscher, einen Kondensationswärmetauscher und ein Expansionsventil leitet, bevor sie wieder dem Verdampfer zugeführt wird. Aus der verdichteten Flüssigkeit wird durch den Wärmetauscher Wärme abgeführt und auf den Treibstoff des Luftfahrzeugs übertragen, der dem Triebwerk zugeführt wird, und außerdem wird Wärme durch den Kondensationswärmetauscher abgeführt, wo sie auf die Staudruck- Luft übertragen wird, die dann verbraucht wird. Die Menge der Wärme, die auf den Treibstoff übertragen werden kann, ist begrenzt. Auch die Menge der Wärme, die durch die Staudruck-Luft abgeführt werden kann, ist begrenzt.
Das System gemäß Fig. 1B ist das gleiche System wie in Fig. 1A mit Ausnahme dessen, dass die Staudruck-Luft durch abgekühlte Zweitluft aus dem Triebwerk des Luftfahrzeugs ersetzt ist, die durch ein Expansionsventil, wo die Luft auf einen niedrigeren Druck und eine niedrigere Temperatur expandiert wird, und dann zu dem Kondensationswärmetauscher geleitet wird.
Bei dem System gemäß Fig. 2 wird Zweitluft aus dem Triebwerk des Luftfahrzeugs verwendet, die in einem Wärmetauscher abgekühlt und in einem Verdichter verdichtet wird. Die Luft wird in einem zweiten Wärmetauscher noch einmal abgekühlt und durch eine Turbine geleitet, wo sie expandiert und weiter abgekühlt wird. Diese kalte Luft kühlt dann den Flüssigkeits-Kreislauf, der die Elektronik enthält, wobei diese Luft auch in dem zweiten Wärmetauscher verwendet wird, um einen Kühleffekt zu erzielen, bevor sie ausgestoßen wird. Alle Systeme der Fig. 1A, 1B und 2 haben eine begrenzte Kühlkapazität.
In Fig. 3 ist eine erste Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Sie zeigt einen Regler, der den Druck innerhalb des Balg-Behälters, der die verbrauchbare Flüssigkeit enthält, reguliert. Dies wird erreicht durch Injizieren von Druckluft in den Behälter, um darin den gewünschten Druck aufrechtzuerhalten. In einigen Fällen ist der Regler nicht erforderlich, und der Balg-Behälter kann nichts anderes sein als ein Gefäß mit Flüssigkeit, wobei die Zufuhr zum Rest des Systems durch die Schwerkraft erfolgt. Eine Verdrängerpumpe/Drossel stellt den Durchsatz der Flüssigkeit aus dem Balg-Behälter je nach anfallender Wärmebelastung ein. Dies wird durch ein Feedback- Signal gesteuert, das von einem Pumpen-/Drosselregler erzeugt wird, der abhängig von einem wahrgenommenen Leistungspegelsignal arbeitet, was nachfolgend noch erläutert wird. Der Pumpen-/Drosselregler regelt die Drehzahl eines Pumpen-/Drosselmotors, der das Volumen des durchgepumpten Fluids regelt.
Die verbrauchbare Flüssigkeit wird zu einem Verdampfer-Wärmetauscher transportiert, wo sie durch eine Leitung, die einen erwärmten Kühlmittelstrom enthält, zum Sieden gebracht wird und zum Teil verdampft, wobei sie währenddessen Wärme abführt und den Kühlmittelstrom abkühlt. Der Kühlmittelstrom ist das Fluid, das tatsächlich das elektronische System kühlt, wobei dieses Kühlfluid durch eine Pumpe entlang einer kontinuierlichen geschlossenen Bahn gepumpt wird, zu der der Verdampfer- Wärmetauscher, das elektronische System und die Pumpe gehören. Eine Stromversorgung für das elektronische System befindet sich außerhalb des abgekühlten Systems.
Die in dem Verdampfer-Wärmetauscher verdampfte verbrauchbare Flüssigkeit wird dann durch eine Vakuumpumpe, die ein vorherbestimmtes Teilvakuum in dem Wärmetauscher aufrechterhält, an die Atmosphäre abgegeben. In dem Wärmetauscher wird ein festgesetztes Vakuumniveau aufrechterhalten. Dies erfolgt durch Erfassen des Vakuumgrades am Ausgang des Wärmetauschers und durch entsprechende Anzeige desselben bei einem Vakuumregler. Der Vakuumregler regelt dann die Drehzahl eines Vakuumpumpenmotors, der wiederum die Vakuumpumpe regelt.
Es ist ersichtlich, dass der Grad des Vakuums am Verdampfer-Wärmetauscher den Siedepunkt der verbrauchbaren Flüssigkeit bestimmt. So wie sich der Siedepunkt der verbrauchbaren Flüssigkeit ändert, ändert sich auch die Menge der Wärme, die dem Kühlmittelstrom entzogen wird. So wie sich die Wärme ändert, die dem Kühlmittelstrom entzogen wird, ändert sich auch die Temperatur des elektronischen Systems. Folglich kann die Temperatur des elektronischen Systems eingestellt werden, indem die Tätigkeit der Vakuumpumpe unter Regelung des Vakuumreglers eingestellt wird. Außerdem kann der Vakuumpumpenregler auf die Temperatur des elektronischen Systems reagieren, da diese Temperatur direkt mit der Größe des Vakuums in dem Wärmetauscher zusammenhängt. Darüber hinaus hängt die Menge der verbrauchbaren Flüssigkeit, die dem Wärmetauscher zugeführt wird, mit der Menge des in dem Wärmetauscher erzeugten Dampfes und mit dem Vakuum in dem Wärmetauscher zusammen. Die Menge des in dem Wärmetauscher erzeugten Dampfes und das Vakuum in dem Wärmetauscher hängen mit dem Grad der Abkühlung des Kühlmittelstroms zusammen, und die Temperatur des elektronischen Systems hängt mit dem Grad der Abkühlung des Kühlmittelstroms zusammen. Hieraus folgt, dass der Drosselregler auf die Temperatur des elektronischen Systems reagieren kann. Um die Gleichmäßigkeit der Temperatur des Kühlmittelstroms zu gewährleisten, ist es darüber hinaus notwendig, sicherzustellen, dass die verbrauchbare Flüssigkeit in dem Wärmetauscher nicht vollständig verdampft und dass immer etwas Flüssigkeit vorhanden ist. Dies wird dadurch erreicht, dass der Durchsatz des Fluids aus der Pumpe/Drossel etwas höher ist als der, der durch die ausgeübte Wärmebelastung vorgeschrieben ist. Der gewünschte Durchsatz wird durch den Pumpen-/Drosselregler bestimmt, wobei ein Feedback-Signal verwendet wird, um die Pumpendrehzahl der Pumpe/Drossel festzulegen. Es ist ersichtlich, dass die Vakuumpumpe die Aufgabe hat, in dem Wärmetauscher als Folge der geregelten Verdampfung unter einem geregelten Vakuum und Aufbrauchen einer verbrauchbaren Flüssigkeit mit hoher latenter Verdampfungswärme ein Vakuum in einem vorherbestimmten Bereich aufrechtzuerhalten.
In Fig. 4 ist ein System dargestellt, das dem System gemäß Fig. 3 ähnlich ist, mit Ausnahme dessen, dass das Vakuum auf andere Weise erzeugt wird. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 werden die Vakuumpumpe und der dazugehörige Motor und Regler durch einen Ejektor ersetzt, wobei Druckluft einer Luftdrossel zugeführt wird und Luft aus der Luftdrossel, die durch die Größe des Vakuums in dem Wärmetauscher geregelt wird, über eine Düse in den Ejektor strömt, um das Vakuum in bekannter Weise zu erzeugen. Der Ejektor ist ein Primärstrom von Luft mit sehr hohem Druck, der durch eine Düse strömt und eine sehr hohe Geschwindigkeit erzeugt. Diese Geschwindigkeit saugt Luft in dem Sekundärstrom an. Ejektoren sind in der Technik bekannt und müssen hier nicht näher erläutert werden.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 entspricht der Ausführungsform gemäß Fig. 3 mit Ausnahme dessen, dass man sich ein bereits existierendes Kühlsystem zunutze macht, mit dem ein Teil der erforderlichen Kühlung erzielt wird. Hieraus folgt, dass ein Teil der gesamten Kühlung des Kühlmittelstroms so erfolgt, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wurde, und ein Teil des Kühlmittelstroms dem bereits existierenden Kühlsystem zugeleitet und dann wieder dem Kühlkreislauf für das elektronische System zugeführt wird.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 6 ähnelt der Ausführungsform gemäß Fig. 5 mit Ausnahme dessen, dass die Vakuumpumpe und der zugehörige Motor und Regler durch den Ejektor und die Luftdrossel gemäß Fig. 4 ersetzt sind.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 7 ähnelt der Ausführungsform gemäß Fig. 1 mit Ausnahme dessen, dass die Verdrängerpumpe/Drossel und der zugehörige Motor durch ein Servoventil ersetzt sind. Der Regler erfasst den Druck auf beiden Seiten des Servoventils, um zur Regulierung des Flüssigkeitsstroms die Verschiebung der Spule in dem Servoventil festzulegen.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 8 entspricht der Ausführungsform gemäß Fig. 4, die Ausführungsform gemäß Fig. 9 entspricht der Ausführungsform gemäß Fig. 5 und die Ausführungsform gemäß Fig. 10 entspricht der Ausführungsform gemäß Fig. 6 mit Ausnahme dessen, dass die Verdrängerpumpe jeweils durch das Servoventil ersetzt ist, das vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben wurde.

Claims

1. Wärmemanagementsystem zur Abfuhr von Wärme aus einem elektronischen System, das folgende Elemente aufweist: eine Quelle einer verbrauchbaren Flüssigkeit; einen Wärmetauscher; ein Zufuhrregelsystem für die geregelte Zufuhr der verbrauchbaren Flüssigkeit zum Wärmetauscher; und ein Vakuumregelsystem zum Aufrechterhalten eines geregelten Vakuums in dem Wärmetauscher durch Ausstoßen von in dem Wärmetauscher gebildeten Dämpfen der verbrauchbaren Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher;

dadurch gekennzeichnet, dass

der Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen (a) einem Kühlmittelstrom, der so durch einen geschlossenen Kreislauf gepumpt wird, dass er durch ein elektronisches System strömt, von dem Wärme abzuführen ist, und (b) der verbrauchbaren Flüssigkeit sorgt;

und dass

das Vakuumregelsystem entweder

(i) eine Vakuumpumpe, einen die Vakuumpumpe steuernden Motor und eine Motorregelung aufweist, die auf einen vorherbestimmten Parameter reagiert, der mit dem Wärmetauscher zusammenhängt, um die Drehzahl des Motors zu steuern, oder

(ii) einen Ejektor und eine Luftdrossel, in dem der Luftdrossel Druckluft zugeführt wird, und Luft aus der Luftdrossel durch die Größe des Vakuums im Wärmetauscher geregelt wird und über eine Düse in den Ejektor strömt, um das Vakuum zu erzeugen.

2. Wärmemanagementsystem zur Abfuhr von Wärme aus einem elektronischen System, das aufweist: eine Quelle einer verbrauchbaren Flüssigkeit; einen Wärmetauscher; ein Zufuhrregelsystem für die geregelte Zufuhr der verbrauchbaren Flüssigkeit zum Wärmetauscher; und ein Vakuumregelsystem zum Aufrechterhalten eines geregelten Vakuums in dem Wärmetauscher durch Ausstoßen von in dem Wärmetauscher gebildeten Dämpfen der verbrauchbaren Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher;

dadurch gekennzeichnet, dass

und dass

das geregelte Zufuhrsystem auf ein Feedback-Signal von dem geregelten Vakuumsystem reagiert, um den Durchsatz des geregelten Zufuhrsystems zu steuern.

3. System nach Anspruch 2, bei dem das Vakuumregelsystem eine Vakuumpumpe, einen die Vakuumpumpe steuernden Motor und eine Motorregelung aufweist, die auf einen vorherbestimmten Parameter reagiert, der mit dem Wärmetauscher zusammenhängt, um die Drehzahl des Motors zu steuern.

4. System nach Anspruch 2, bei dem das Vakuumregelsystem einen Ejektor aufweist.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Zufuhrregelsystem eine Verdrängerpumpe/eine Drossel aufweist, einen zweiten Motor, der die Pumpe/Drossel steuert, und einen zweiten Regler, der auf einen vorherbestimmten Parameter reagiert, um die Drehzahl des zweiten Motors zu steuern.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Zufuhrregelsystem ein Servoventil und einen Regler zur Steuerung des Servoventils, der auf einen vorherbestimmten Parameter reagiert, aufweist.

7. System nach Anspruch 6, bei dem der Regler auf ein Feedback-Signal reagiert, um das Servoventil zu regeln und damit den Durchsatz des geregelten Zufuhrsystems zu regeln.

8. Wärmemanagementverfahren zur Abfuhr von Wärme aus einem elektronischen System, welches umfasst: Bereitstellen einer Quelle einer verbrauchbaren Flüssigkeit; Bereitstellen eines Wärmetauschers; Zuführen der verbrauchbaren Flüssigkeit zum Wärmetauscher mit einem geregelten Durchsatz; und Aufrechterhalten eines geregelten Vakuums in dem Wärmetauscher durch Ausstoßen von in dem Wärmetauscher gebildeten Dämpfen der verbrauchbaren Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher;

dadurch gekennzeichnet, dass

und durch

Regelung des Vakuums entweder durch

(i) eine Vakuumpumpe, einen die Vakuumpumpe steuernden Motor und einen Motorregler, der auf einen vorherbestimmten Parameter reagiert, der mit dem Wärmetauscher zusammenhängt, um die Drehzahl des Motors zu regeln, oder

(ii) durch einen Ejektor und eine Luftdrossel, in dem der Luftdrossel Druckluft zugeführt wird, und Luft aus der Luftdrossel durch die Größe des Vakuums im Wärmetauscher geregelt wird und über eine Düse in dem Ejektor strömt, um das Vakuum zu erzeugen.

9. Wärmemanagementverfahren zur Abfuhr von Wärme aus einem elektronischen System, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen einer Quelle einer verbrauchbaren Flüssigkeit; Bereitstellen eines Wärmetauschers; geregeltes Zuführen der verbrauchbaren Flüssigkeit zum Wärmetauscher; und Aufrechterhalten eines geregelten Vakuums in dem Wärmetauscher durch Ausstoßen von in dem Wärmetauscher gebildeten Dämpfen der verbrauchbaren Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher;

dadurch gekennzeichnet, dass

und durch

Regelung des Durchsatzes der verbrauchbaren Flüssigkeit als Reaktion auf ein Feedback-Signal von dem geregelten Vakuumsystem.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, das die Zufuhr der Flüssigkeit durch ein Regelsystem umfasst, das eine Verdrängerpumpe/eine Drossel aufweist, einen zweiten Motor, der die Pumpe/Drossel steuert, und einen zweiten Regler, der auf einen vorherbestimmten Parameter reagiert, um die Drehzahl des zweiten Motors zu steuern.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, das die Regelung des Durchsatzes der Flüssigkeit durch ein Zufuhrregelsystem umfasst, welches ein Servoventil und einen Regler zur Regelung des Servoventils, der auf einen vorherbestimmten Parameter reagiert, aufweist.