SE0802032A1 - Kylsystem - Google Patents

Abstract

Den föreliggande uppfinningen avser ett kylsystem för att kyla heta elektriska komponenter (2) och innefattar en värmemottagande struktur (6), vars ena ände är i direkt kontakt med den elektriska komponenten (2) för att leda bort värme från den elektriska komponenten och vars andra ände är i direkt kontakt med en sluten kylkanal (8), som har en inloppssida (20) och en utloppssida (18) och som är anpassad för att ta emot värme och ha ett flöde därigenom.Fig. 1

Description

U.S. patent 6,639,797 beskriver ett kylsystem som använder värmetransportrör och ett flytande kylmedium för att möjliggöra att sj älva kylningen kan ske på en annan plats än där värmealstringen sker. Syftet med denna uppfinning är att skapa ett kompakt kylsystem som inte upptar någon stor plats i datorn.

U.S. patent 7,392,836 beskriver ett kylsystem som utnyttjar fasomvandling i ett tvåfas- system. Kylmedlet cirkulerar i ett slutet utrymme av metall, vilket också innehåller en veckad struktur som används som förångare. Det flytande kylmedlet förgasas av värmen från ytan som ska kylas och kondenserar på kanalväggarna. Den kondenserade vätskan samlas upp av den veckade strukturen och transporteras sedan tillbaka till den veckade förångaren med hjälp av kapillärkraften, varvid kylmedlet cirkuleras.

Det finns sålunda ett behov av en kylanordning eller ett kylsystem som är energieffektiv och samtidigt tyst. Såsom nämnts ovan är dock kravet på tystnad viktigast vid småskaliga tillämpningar, och energieffektiviteten är den viktigaste egenskapen vid storskaliga tillämpningar.

REDOGÖRESLSE FÖR UPPFINNINGEN Den föreliggande uppfinningen är inriktad på att åstadkomma ett kylsystem som är både tystare och mer energieffektivt än de kylanordningar eller system som används i dag. Det är vidare önskvärt att åstadkomma ett kylsystem som har en enkel struktur, med få delar som är enkelt att installera.

Enligt en aspekt av den föreliggande uppfinningen åstadkommes ett kylsystem för att kyla heta elektroniska komponenter innefattande en värmemottagande struktur, vars ena ände har direkt kontakt med den elektroniska komponenten för att ta emot värmen från den elektroniska komponenten och vars andra ände är i direkt kontakt en sluten kylkanal med en inloppssida och en utloppssida. Kylkanalen är anpassad för att ta emot värme och ha ett flöde där igenom.

Enligt en andra aspekt av uppfinningen innefattar den värmemottagande strukturen ett yttre lager av värmeisolerande material vilket termiskt isolerar denna struktur från den omgivande luften.

Enligt en tredje aspekt av uppfinningen är den värmemottagande strukturen solid och innefattar ett material med hög värmeledningsförmåga.

Enligt en fjärde aspekt av uppfinningen innefattar den värmemottagande strukturen värmerör.

Enligt en femte aspekt av uppfinningen är åtminstone en kylstruktur anordnad i kylkanalen.

Enligt en sjätte aspekt av uppfinningen är den åtminstone ena kylstrukturen anordnad separerad från väggarna i kylkanalen medelst en eller flera distanser.

Enligt en sjunde aspekt av uppfinningen är kylkanalen anordnad på ett sådant sätt att flödet därigenom är i huvudsak vertikalt.

Enligt en åttonde aspekt av uppfinningen är inloppet och utloppet till kylkanalen anslutna utanför rummet för att separera luften inuti kylkanalen från den omgivande luften.

Enligt en nionde aspekt av uppfinningen är åtminstone en fläkt ansluten till kylkanalen för att öka flödet därigenom.

Enligt en tionde aspekt av uppfinningen innefattar kylkanalen ett yttre skikt av ett värmeisolerande material för termiskt isolera den från den omgivande luften.

Enligt en elfte aspekt av uppfinningen består flödet i kylkanalen av en gas, t.ex. luft.

Enligt en tolfte aspekt av uppfinningen består flödet i kylkanalen av en vätska, t.ex. vatten.

I samband med föreliggande ansökan bör det noteras att termen “innefatta/innefattar” används för att ange närvaron av särdrag, enheter, steg eller komponenter, men utesluter inte närvaro av ytterligare en eller flera särdrag, enheter, steg, komponenter eller grupper därav.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Den föreliggande uppfinningen kommer nu att beskrivas i större detalj med hänvisning till de bifogade ritningarna, i vilka: Figur l är en schematisk sidovy av ett kylsystem som används för småskaliga tillämpningar, Figur 2 är en schematisk tvärsnittsvy av kylsystemet i figur l, Figur 3 visar ett kylsystem med flera inre kylstrukturer, Figur 4 visar ett kylstruktur anpassat till en storskalig tillämpning.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Figur 1 visar en sidovy av ett kylsystem för användning i en småskalig tillämpning.

Såsom nämnts ovan avser en småskalig tillämpning kylningen av en eller ett fåtal heta komponenter. I figur 1 betecknar hänvisningsbeteckning 2 den heta elektriska komponenten, såsom en CPU eller liknande. I denna utföringsform av uppfinningen är CPUn 2 anordnad på ett moderkort 4. Det skall emellertid förstås att uppfinningen kan tillämpas på vilken het elektrisk komponent som helst, och uppfinningen är inte begränsad till en CPU 2.

Såsom framgår av figur 1 är en värmemottagande struktur 6 i kontakt med CPUn 2 för att leda bort värmen från CPUn. Den andra sidan av den värmemottagande strukturen 6 är i direkt kontakt med en sluten kylkanal 8, som har en inloppssida 20 och en utloppssida 18 (se figur 4). Kylkanalen 8 är anpassad för att ta emot värmen. Syftet med den värmemottagande strukturen är sålunda att ta emot överskottsvärmen som bildas av den heta komponenten 2 och att överföra denna värme till kylkanalen 8. Med en sluten kylkanal 8 menas att de enda öppningarna som är anordnade i kylkanalen 8 är inloppet 20 och utloppet 18.

Den värmemottagande strukturen 6 kan vara solid till sin konstruktion och vara tillverkad av ett material med hög värmeledningsförmåga, t.ex. koppar eller aluminium. I en annan utföringsform kan den värmemottagande strukturen 6 bestå av värmerör, vilka fungerar enligt den princip som beskrivs i U.S. patent 7,3 92,836 och därför inte är närmare beskriven häri.

I utföringsformen av den föreliggande uppfinningen som visas i figur 1 innefattar kylkanalen 8, kanalen 8 i sig själv och en inre kylstruktur 12, vilket i detta fall kommer att resultera i två kanaler.

Den interna kylstrukturen 12 är inte nödvändig för att utföra den föreliggande uppfinningen. Användning av den inre kylstrukturen 12 kommer däremot att öka kylsystemets kylförmåga, eftersom kylkanalen kan leda bort mer värme. Formen på kylkanalen 8 definieras i en föredragen utföringsform av uppfinningen av rektangulära plattor, vilka bestämmer bredden och höjden av kanalen 8. Kanalens 8 djupet definieras av distanserna 14, som separerar väggarna i kanalen, och i förekommande fall också de inre kylstrukturerna 12 från väggarna.

I figur 2 är kylkanalen 8 kompletterad med en inre kylstruktur 12, som har samma dimensioner som väggarna i kylkanalen 8. I detta fall består därför kylkanalen 8 av tre plattor, vilka är åtskilj da från varandra av sex distanser 14. Dimensionerna för kylkanalen 8 kan anpassas efter kylbehovet, och kan sålunda vara både större eller mindre. Antalet interna kylstrukturer 12 kan också variera beroende på det aktuella kylbehovet. De kan vara anordnade längs hela kylkanalen 8 eller bara täcka en del av kylkanalen 8. Figur 3 visar en sidovy av en kylkanal 8, som har tre inre kylstrukturer 12.

I en föredragen utföringsform av den föreliggande uppfinningen så är den värmemottagande strukturen 6 täckt av ett skikt med värmeisolering. Detta termiskt isolerande lager används för att minska den mängd värme som avges från den värmemottagande strukturen till den omgivande luften och underlättar sålunda transporten av överskottsvärme från den elektriska komponenten 2 till kylkanalen 8.

I en annan föredragen utföringsform av den föreliggande uppfinningen är kylkanalen 8 vertikalt orienterad för att låta gravitationen stödja flödet genom kylkanalen 8 och därigenom öka kylkapaciteten hos kylsystemet.

Kylkanalens 8 väggar och i förekommande fall även de inre strukturerna är med fördel tillverkade av ett material med god värmeledningsförmåga. Dessutom är det fördelaktigt om de yttre väggarna av kylkanalen 8 är täckta av ett lager med termisk isolering. För det första gör detta så att en så stor del som möjligt av värmen överförs till insidan av kylkanalen 8. Fördelen med detta att är att behovet av luftkonditionering i rummet där utrustningen står kommer att minska avsevärt, om utloppet 18 till kylkanalen 8, och i vissa fall även inloppet 20 är anslutna till utsidan av rummet. För det andra underlättar och effektiviserar detta förfarande återvinning av energin som alstras av de heta elektriska komponenterna, t.ex. genom att ansluta en värmeväxlare till utloppet 18. För det tredje kommer isoleringen att reducera temperaturen på den sida av kylkanalen 8 som befinner sig i kontakt med den heta komponenten 2. Detta är fördelaktigt i de fall moderkortet 4 innefattar andra värmekänsliga komponenter. För det fjärde så gör isoleringen att en så stor del av värmen som möjligt överförs till insidan av kylkanalen 8, vilket ökar kylförmågan och reducerar temperaturen hos den heta komponenten 2. De två första punkterna är i regel endast betydelsefulla vid storskaliga tillämpningar. Den tredje och den fjärde punkten är däremot betydelsefulla både vid storskaliga och vid småskaliga tillämpningar.

Vid storskaliga tillämpningar kommer det heta gränsskiktet på väggarna i kylkanalen 8 att öka i tjocklek längs kylsystemets höjd. Detta kommer att göra kylningen mindre effektiv i den övre delen av kanalen. Genom att använda inre kylstrukturer 12 anordnade förskjutna i höjdled är det möjligt för kylkanalen 8 att transportera bort mera värme. I figur 3 visas ett exempel på hur de inre kylstrukturerna 12 kan vara förskjutna i förhållande till kylkanalen 8. En fackman inom området kan anpassa antal och dimensioner på de inre kylstrukturerna 12 för att skapa ett system med önskad kylförmåga. Tillexempel kan det vara fördelaktigt om de inre kylstrukturerna 12 har rundade kanter för att underlätta flödet genom kylkanalen 8. Det bör noteras att det viktiga är att skapa ett flöde som är jämnt fördelat över samtliga kylande ytor i kylkanalen för att erhålla en effektiv kylning. Även om kylsystemet enligt den föreliggande uppfinningen på ett mycket effektivt sätt kan avlägsna värmen utan att använda några fläktar, kan det i vissa situationer uppstå, i synnerhet för storskaliga tillämpningar där ett stort antal elektriska komponenter skall kylas, ett behov att öka flödet genom kylkanalen 8. Detta görs medelst en eller flera fläktar beroende på de kylkrav som ställs. En sådan situation kommer att beskrivas nu.

I figur 4 visas ett kylsystem för storskaliga tillämpningar. För enkelhets skull används hänvisningsbeteckning 16 både för att identifiera CPUn 2 och den värmemottagande strukturen 6 i figur 4, vilka komponenter visas i detalj i figur 1. Vilket är uppenbart genom figur 4 är det 16 heta, elektriska komponenter som ska kylas. Varje het elektrisk komponent är på samma sätt som i den tidigare beskrivna småskaliga tillämpningen i direkt kontakt med en värmemottagande struktur 6. Samtliga 16 värmemottagande strukturer är i direkt kontakt med kylkanalen 8.

Kylkanalen 8 har en inloppssida och en utloppssida, vilket gör det möjligt att separera den uppvärmda luften i kylkanalen från rummet i vilket utrustningen är placerad. Åtminstone en fläkt 22 är placerad i anslutning till inloppssidan 20 för att öka flödet genom kylkanalen 8 och därigenom öka kylförmågan. Det är även möjligt att placera fläkten 22 vid utloppssidan 18 för att skapa ett sug. En fackman på området inser att det finns ett flertal möjligheter att placera fläkten eller fläktarna för att åstadkomma ett flöde från inloppet 20 till utloppet 18 av kylkanalen 8.

Vid jämförelse med det traditionella sättet att kyla en datorhall, där luftkonditionering används för att kyla luften i rummet, separerar den föreliggande uppfinningen den uppvärmda luften i kylkanalen 8 från den omgivande luften och leder företrädesvis ut den ur rummet.

I en föredragen utföringsform av den föreliggande uppfinningen leds det varma flödet utanför rummet och värmeväxlas för att återvinna energi. Detta kommer att leda till stora energibesparingar i jämförelse med idag. I en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är kylkanalens 8 ytor som gränsar mot rummet i vilket utrustningen är placerad täckta av ett lager av termisk isolering.

Det skall förstås att flödet genom kylkanalen 8 kan vara antingen en gas, t.ex. luft, eller en vätska, t.ex. vatten. En fackman på området kan anpassa utformningen av kylsystemet till att använda antingen gas, vätska, eller en kombination därav.

Ett nytt kylsystem har härmed beskrivits, som för en småskalig tillämpning kommer att vara både tyst och energieffektivt i jämförelse med de system som finns i dag. Detta kylsystem är vidare anpassningsbart till storskaliga tillämpningar där kylsystemet inte bara spar energi genom ett kraftigt minskat behov av luftkonditionering i en datorhall, utan där det också är möjligt att återvinna värmeenergin som alstras av de heta elektriska komponenterna.

Claims (12)

PATENTKRAV

1. Kylsystem för att kyla heta elektriska komponenter (2) vid storskaliga tillämpningar, innefattande en värmemottagande struktur (6), vars ena ände är i direkt kontakt med den heta elektriska komponenten (2) för att leda bort värmen från den elektriska komponenten (2) och vars andra ände är i direkt kontakt med en sluten kylkanal (8), som har en inloppssida (20) och en utloppssida och är anpassad för att ta emot värmen och ha et flöde därigenom.

2. Kylsystem i enlighet med patentkrav 1, i vilket den värmemottagande strukturen (6) innefattar ett yttre skikt av ett termiskt isolerande material för att termiskt isolera den värmemottagande strukturen (6) från den omgivande luften.

3. Kylsystem i enlighet med patentkrav 1 eller 2, i vilket den värmemottagande strukturen (6) är solid och tillverkad av ett material med god värmeledningsförmåga.

4. Kylsystem i enlighet med patentkrav 1 eller 2, i vilket den värmemottagande strukturen (6) innefattar värmerör.

5. Kylsystem i enlighet med något av patentkraven 1 till 4, i vilket åtminstone en kylstruktur (12) är anordnad inne i kylkanalen (8).

6. Kylsystem i enlighet med något av patentkraven 1 till 5, i vilket åtminstone en kylstruktur (12) är anordnad åtskiljd från kylkanalens väggar medelst åtminstone ett distanselement (14).

7. Kylsystem i enlighet med något av föregående patentkrav, i vilket kylkanalen (8) är anordnad på ett sådant sätt att flödet genom kanalen sker i huvudsak vertikalt.

8. Kylsystem i enlighet med något av föregående patentkrav, i vilket kylkanalens (8) inlopp (20) och utlopp (18) är anslutna till utsidan av rummet för att separera det heta flödet i kylkanalen (8) den omgivande luften.

9. Kylsystem i enlighet med patentkrav 8, i vilket åtminstone en fläkt (22) är anordnad för att öka flödet genom kylkanalen (8).

10. Kylsystem i enlighet med något av föregående patentkrav, i vilket kylkanalen (8) innefattar ett yttre skikt av ett termiskt isolerande material för att termiskt isolera kylkanalen (8) från den omgivande luften.

11. Kylsystem i enlighet med något av föregående patentkrav, i vilket flödet i kylkanalen (8) består av gas, t.ex. luft.

12. Kylsystem i enlighet med något av föregående patentkrav, i vilket flödet i kylkanalen (8) består av en vätska, t.ex. vatten.