WO2025002700A1 - Kühlsystem zur flüssigkeitsimmersionskühlung von elektronischen bauteilen - Google Patents

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condenser unit
cooling system
container
fluid
heat exchanger
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PCT/EP2024/064697
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Achim Gotterbarm
Verena Obst
Harald GAIBLER
Philipp Hofmann
Michael Scheuss
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Wieland Werke AG
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    • H05K7/20709—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for server racks or cabinets; for data centers, e.g. 19-inch computer racks
    • H05K7/208—Liquid cooling with phase change
    • H05K7/20818—Liquid cooling with phase change within cabinets for removing heat from server blades

Definitions

  • Cooling system for liquid immersion cooling of electronic components
  • the invention relates to a cooling system for liquid immersion cooling of electronic components according to the preamble of claim 1.
  • Liquid immersion cooling systems such as two-phase immersion cooling systems, are an efficient cooling solution for electronic components that generate a lot of heat during operation.
  • a two-phase heat transfer fluid which preferably has a low boiling point
  • the heat generated by the electronic component can evaporate the surrounding liquid heat transfer fluid, thereby removing heat from the electronic component.
  • a condenser device liquefies the gaseous heat transfer fluid, which is then returned to the reservoir for cooling.
  • a two-phase immersion cooling system with a cooling basin is known from the publication US 10 512 192 B2.
  • a condensation chamber in which the gaseous fluid produced during the cooling process is condensed, is connected to the liquid fluid in the cooling basin.
  • a vapor diversion structure is arranged above the heat-generating electronic components, which are located within the cooling medium in the cooling basin. The vaporized fluid is guided into the condensation chamber for liquefaction by means of the vapor diversion structure.
  • the condensation chamber is located within the cooling basin.
  • a two-phase immersion cooling system with an immersion tank and a primary condenser for gaseous heat transfer fluid is known.
  • the primary condenser is in thermal connection with the internal volume of the immersion tank.
  • the immersion cooling system also includes a vapor management system that is connected on the flow side to the head space of the immersion tank.
  • the vapor management system makes it possible to effectively manage periods of high vapor production by removing fluid vapor and other gases from the head space of the immersion tank, condensing the vapor to liquid and returning the liquid to the immersion tank.
  • a cooling system for computer components is known from the document US 10 477 726 B1.
  • a pressure-controlled container contains a heat-conducting, dielectric heat transfer fluid in liquid and gaseous phases, which has a boiling point of less than 80°C at atmospheric pressure.
  • Computer components are arranged in the container, which are at least partially immersed in the liquid phase of the heat transfer fluid.
  • the dielectric gas phase fluid evaporated by the heat generated by the computer components is condensed into dielectric liquid phase fluid by means of a condenser.
  • the internal pressure in the interior of the pressure-controlled container is reduced to as low as 650 hPa.
  • By controlling the pressure in the container at which the system operates the user can influence the temperature at which the dielectric fluid evaporates. This can achieve increased cooling performance.
  • the operation of a computer system within a pressure-controlled vessel at an operating pressure that deviates from the ambient pressure usually requires a structural adaptation of the system as a whole.
  • Container known that uses two-phase heat transfer fluid as coolant can be filled, in the liquid phase of which electronic components can be immersed.
  • the container has a gas space above the surface of the liquid heat transfer fluid.
  • a separate external condenser device is arranged above the container, which is configured to condense the vapor phase of the heat transfer fluid and return it as a liquid coolant to the container with the electronic components.
  • the system comprises return and supply lines that are connected to both the condenser device and the container to form a heat exchange loop.
  • the system also includes a collecting vessel, which is arranged on the supply line and is configured to collect the condensed, liquid heat transfer fluid before the coolant is supplied to the container. This accumulator also provides reserve cooling capacity for the cooling system.
  • a cooling system for immersion cooling of electronic components with a pressure-tight tank, configured to hold heat transfer fluid in liquid form, into which the electronic equipment is immersed.
  • a vapor space is present above a surface of the liquid heat transfer fluid.
  • a condenser is arranged outside the pressure-tight tank, wherein the condenser has an inlet which is connected to the vapor space by a riser pipe and is configured to receive heat transfer fluid vapor.
  • the condenser has a tightly sealable vapor outlet for residual gases and a condensate outlet with a condensate return line to the tank.
  • the condensate return line is designed such that condensed heat transfer fluid can flow back from the condensate outlet to the tank through it. Additional condenser tubes for liquefying gaseous heat transfer fluid can also be present within the tank.
  • the invention is based on the object of developing a cooling system for liquid immersion cooling of electronic components with respect to a heat exchanger device.
  • the invention includes a cooling system for liquid immersion cooling of electronic components.
  • the cooling system comprises:
  • a container which can be filled with a two-phase heat transfer fluid in the liquid phase of which electronic components can be immersed, the container having a gas space above the surface of the liquid heat transfer fluid,
  • the condenser unit is in contact with the gas space of the container by means of at least one fluid inlet opening for the mass exchange of gaseous medium to the condenser unit or liquid medium from the condenser unit and the condenser unit has an outlet via which a residual gas phase can be discharged.
  • the condenser unit has a tube bundle with heat exchanger tubes running parallel to one another in the axial direction in an enclosing housing downstream of the at least one fluid inlet opening in the flow direction, whereby a flow channel is formed in the housing. Furthermore, the tube bundle is arranged in the housing in such a way that gaseous medium flows in the flow channel along the axial direction of the heat exchanger tubes.
  • the invention is based on the idea that the housing of the condenser unit with an internal tube bundle made of straight heat exchanger tubes running parallel to one another forms a kind of elongated cooling section in which gaseous heat transfer fluid originating from the container is cooled and liquefied.
  • the heat transfer fluid condensed on the heat exchanger tubes drips onto the housing base, which preferably has a sufficient inclination from the horizontal in the direction of the fluid outlet opening so that the liquid heat transfer fluid flows back into the container through the fluid outlet opening.
  • the condensation process constantly reduces the amount of gaseous heat transfer fluid so that a negative pressure is created in the housing of the condenser unit compared to the container. This means that gaseous heat transfer fluid constantly flows from the gas space of the container into the housing of the condenser unit through at least one fluid inlet opening.
  • the system therefore regulates itself independently depending on the pressure and the heat transfer area.
  • a condenser unit can also be individually designed in multiple versions, each at different positions inside or outside the container, depending on the cooling requirements.
  • the particular advantage of the solution according to the invention is the particularly long cooling section formed by heat exchanger tubes, along which the gaseous fluid is forcibly guided inside an elongated housing.
  • the container can be designed to be pressure-tight.
  • the container can advantageously be designed as a pressure vessel that can be operated with a negative pressure and/or positive pressure. By controlling the pressure in the container at which the cooling system operates, an increased cooling capacity can be achieved.
  • the heat exchanger device in the gas space preferably consists of at least one tube bundle formed from several heat exchanger tubes arranged parallel to one another.
  • a tube bundle can have several heat exchanger tubes arranged parallel to one another with two end tube plates.
  • the heat exchanger tubes are preferably finned tubes, which are made from smooth tubes and have been subjected to a forming process. They are particularly suitable as components in highly efficient, compact and extremely stable heat exchangers with a high heat transfer coefficient.
  • the tube surfaces are optimized for the specific heat transfer requirements of the application. With a large selection of materials, which include copper, copper alloys, steels, titanium or titanium alloys, it is ensured that suitable material is available for different needs for the respective requirements, especially in terms of durability and formability.
  • the two-phase heat transfer fluid also known as the refrigerant, is the external fluid in the container, in whose liquid part the electronic components are immersed.
  • the internal fluid in the heat exchanger tubes is usually a single-phase heat transfer medium, for example process water, glycol or a thermal oil.
  • a two-phase medium can also be used here in conjunction with a refrigeration circuit.
  • the electronic components are arranged in a suitable manner in a bath of liquid heat transfer fluid, which is cooled by evaporation of the liquid fluid. In this way, the proportion of non-condensable gases can be effectively removed from the system before or during commissioning.
  • the computing components and immersion cooling devices as well as the associated power supplies, network connections, wiring connections and the like can be arranged in the container, which has an internal pressure that differs from the ambient pressure during operation.
  • the vessel is maintained during operation at up to 200 hPa less than ambient atmospheric pressure, which helps to lower the boiling point of the two-phase heat transfer fluid and thereby reduce the operating temperature of the computer chips and other components.
  • the pressure-controlled vessel may be designed for an even lower pressure of up to 500 hPa below ambient pressure.
  • Embodiments of the cooling system according to the invention comprise a container for dielectric cooling fluid, a heat exchanger device and a condenser unit for condensing the dielectric fluid from the gaseous phase to a liquid.
  • the condenser unit located outside or inside the container is intended to condense the remainder of the gaseous heat transfer fluid, which also contains certain amounts of air and water vapor, into liquid heat transfer fluid to the greatest possible extent.
  • the remaining heat transfer fluid is almost completely condensed from the gaseous phase, so that essentially only air and water vapor remain as the residual gas phase.
  • the aim of the Separation of liquid heat transfer fluid involves keeping the water vapor in the gas phase by means of a suitable cooling capacity of the system. This residual gas mixture is discharged from the cooling system via an outlet of the condenser unit.
  • means may be provided for holding computer components and distributing power from the power system to the devices and components located within the container. It will be appreciated that a variety of specialized connections may be used to operate a computer system within a container, for example, held at a vacuum. Some embodiments of the system of the invention may use a series of fiber optic interfaces to provide connectivity within the container and to distribute the fibers to the various holding devices to the electronic components. Some embodiments of the container may include monitoring sensors for safe operation. These sensors may include temperature sensors, fluid level sensors, pressure sensors, position sensors, electrical sensors and/or cameras to ensure and automate the operation of the system.
  • These systems may, for example, include pressure sensors inside the pressure-controlled vessel that monitor the pressure to ensure that there are no significant leaks.
  • gas sensors located on the outside of the pressure-controlled vessel may detect the presence of any dielectric vapor escaping from the pressure-controlled vessel.
  • the cooling system can advantageously comprise a control device which is designed to control the operation of the fluid circulation, for example as Function to regulate the temperature of the two-phase heat transfer fluid and the pressure conditions in the vessel.
  • the flow channel can vary in its passage cross-section for the fluid in the direction of flow. This measure is intended to concentrate the flow of the heat transfer fluid on the heat exchanger tubes running parallel to one another in the axial direction and prevent backflow.
  • the flow channel can advantageously have a large number of chambers that are connected by connecting channels with a smaller passage cross-section. This leads to the gaseous heat transfer fluid being guided from chamber to chamber until liquefaction occurs. In this way, the residence time in the respective chambers is increased and the flow is controlled via the pressure gradient that occurs at the narrow points.
  • the tube bundle with the heat exchanger tubes can be guided through the chambers and through the connecting channels in the flow channel. This measure is also intended to concentrate the flow of the heat transfer fluid on the heat exchanger tubes running parallel to one another in the axial direction and prevent backflow.
  • guide structures for the gaseous fluid can be arranged.
  • the steam is thus forced to flow along the heat exchanger surface of the tube bundle towards the outlet in order to condense as much coolant as possible.
  • the condenser unit can be arranged inside or outside the container.
  • the condenser unit is an independent module which only needs to be connected to the gas space of the vessel in any suitable manner for mass transfer of the fluid.
  • a condenser unit arranged inside the container can be arranged above or next to the heat exchanger device in the gas space of the container.
  • a gaseous fluid phase which is already enriched with residual gases, such as air components or water vapor, and is available for further condensation.
  • a collecting container can be arranged downstream of the outlet of the condenser unit, through which the residual gas phase can be discharged. This container also ensures that no air from the environment can enter the cooling system.
  • the container can be an expandable elastic balloon or a bellows with a variable volume.
  • a drying unit for separating water vapor from the gas phase can be arranged between the outlet and the collecting container.
  • the pressure level in the entire cooling system often changes when the load changes. If necessary, outside air or residual gas can be introduced into the cooling system via the collecting container via the drying unit to equalize the pressure.
  • Silica gel which binds water vapor, is suitable for such drying units.
  • a vacuum pump can be arranged downstream of the outlet, via which the residual gas phase can be discharged.
  • the residual gas phase consisting of water vapor and air at the outlet can also have a negative pressure compared to the environment, since a vacuum pump always ensures that the residual gas flows outwards.
  • the heat exchanger device and the condenser unit can have a common supply unit for a first single-phase heat transfer medium for cooling. Both units are thus at a uniform temperature level, which is suitable for the separation process of the heat exchanger fluid.
  • the condenser unit can have a second supply unit for a second single-phase heat transfer medium for cooling. An independent, different temperature level can then be set in the condenser unit for further effective separation of the individual phase components.
  • the condenser unit can be designed so that it can be operated for cooling at a lower temperature of the single-phase heat transfer medium than the heat exchanger device.
  • pressure and temperature conditions are selected that are not below the dew point of the water portion in order to be able to keep the water vapor in the residual gas phase and to be able to discharge it.
  • the condenser unit can be used optimally in this pressure-temperature range.
  • Fig. 1 is a schematic front view of a cooling system with condenser unit
  • Fig. 2 is a schematic side view of a cooling system with condenser unit
  • Fig. 3 is another side view of a cooling system with condenser unit
  • Fig. 4 is another side view of a cooling system with condenser unit.
  • Fig. 1 shows a schematic front view of a cooling system 1 for liquid immersion cooling of electronic components 2.
  • the cooling system 1 comprises a container 3, which is filled with two-phase heat transfer fluid on the inside.
  • the two-phase heat transfer fluid represents the external fluid in the container 3, with a liquid heat transfer fluid portion 4 in which the electronic components 2 are immersed and a gas space 5 with a gaseous heat transfer fluid portion.
  • a heat exchanger device 6 is arranged in the gas space 5 of the container 3 to form liquid heat transfer fluid 4.
  • the heat exchanger device 6 in the gas space 5 consists of tube bundles, each with a plurality of heat exchanger tubes arranged parallel to one another.
  • the container 3 is slightly tapered in the area of the liquid heat transfer fluid 4, in that the container wall projects inwards and only opens in the gas space 5.
  • the shape of the container 3 is supported by a metal profile frame 31.
  • the container 3 is therefore already enclosed by a stabilizing outer frame.
  • a condenser unit 7 is arranged on the left side outside the container 3 and on the right side inside the container 3.
  • the condenser unit 7 is designed for mass transfer of gaseous medium by means of a Fluid inlet opening 71 is connected to the gas space 5 of the container 3.
  • a fluid outlet opening 72 for liquefied heat transfer fluid to the container 3 is arranged, via which liquid heat transfer fluid from the condenser unit 7 returns to the container 3.
  • a valve 710 is installed in the fluid inlet opening 71 and a valve 720 is installed in the fluid outlet opening 72.
  • a gaseous mixture of heat transfer fluid, air and water vapor is withdrawn from the container 3 cyclically or continuously via the valve 710 of the fluid inlet opening 71. Only liquid heat transfer fluid is returned to the container 3 via the valve 720 of the fluid outlet opening 72.
  • the remaining residual gas phase which after almost complete condensation of the heat transfer fluid essentially consists only of air and water vapor, is discharged to the outside via an outlet 79 by means of a valve 910.
  • a drying unit 8 for separating water vapor from the gas phase is arranged between the outlet 79 and the collecting container 9.
  • the residual gas phase can be discharged directly to the environment.
  • the residual gas phase can also be discharged via a vacuum pump 10.
  • the outlet 79 is connected to a vacuum pump 10 via a supply line 101, which regulates the residual gas flow to the outside via a discharge line 102 of the vacuum pump 10 via a valve control 1010.
  • the residual gas phase can also be led via a supply line 91 with valve 910 to a collecting container 9, which can be designed as a bellows with an expandable volume to generate a negative pressure. If the valve 910 to the collecting tank 9 is closed during operation, the residual gas can be discharged via the discharge line 92 of the collecting tank 9 with the valve 920 open.
  • Fig. 2 shows a schematic side view of a cooling system 1 with a condenser unit 7.
  • the condenser unit 7 is attached to the long side outside the container 3.
  • the fluid inlet opening 71 connects the gas space of the container 3 behind it with the condenser unit 7. Gaseous fluid flows out of the container 3 through this fluid inlet opening 71.
  • the fluid outlet opening 72 is located at the end of a slope at the lowest point of the bottom surface 741 of the housing 74 of the condenser unit 7. The condensed liquid fluid returns to the container 3 via this fluid outlet opening 72.
  • the gaseous fluid flowing in via the fluid inlet opening 71 strikes the tube bundle 73 consisting of a large number of heat exchanger tubes 731 and is guided in the flow direction S essentially axially along the heat exchanger tubes 731 in the flow channel 75.
  • Guide structures 78 are provided for the targeted redirection of the gaseous fluid, whereby the gaseous fluid is forced to flow preferentially along the tube bundle 73 towards the outlet 79.
  • the volume of the gaseous fluid and thus the pressure is continuously reduced along the tube bundle 73.
  • the resulting pressure gradient creates a negative pressure in the condenser unit 7 compared to the container 3, whereby gaseous fluid constantly flows through the fluid inlet opening 71.
  • Fig. 3 schematically shows another side view of a cooling system 1 with condenser unit 7.
  • the condenser unit 7 is arranged on the upper outside of the container 3 with a fluid inlet opening 71 and a fluid outlet opening 72.
  • the bottom surface 741 of the housing 74 is again designed with a certain gradient in the direction of the fluid outlet opening 72.
  • depressions 742 are formed, which lead to the formation of chambers 76, which enable a mass exchange for the gaseous fluid via narrowing connecting channels 77.
  • these narrow points still have a sufficient passage cross-section D through which the tube bundle 73 with the heat exchanger tubes 731 is passed.
  • a series of successive chambers 76 are consequently arranged in the flow channel 75, each of which increases the residence time of the gaseous fluid and prevents a backflow of the gaseous fluid.
  • the outlet 79 in particular the non-condensable gas components are discharged from the cooling system 1.
  • Fig. 4 schematically shows a further side view of a cooling system 1 with condenser unit 7 in a design with a tube bundle finned heat exchanger 73.
  • the fins act as guide structures 78, which on the one hand guide the gaseous fluid and also form a plurality of chambers 76 through which gaseous fluid is guided from the fluid inlet opening 71 in the flow direction S to the outlet 79.
  • the bottom surface 741 of the housing 74 is in turn designed to be inclined towards the fluid outlet opening 72 in order to return the condensed liquid fluid to the container 3.
  • the tubes are guided parallel to one another over the length of the housing 74 and are connected in series at the end by pipe bends.
  • the guide structures 78 formed as lamellae are provided with passages as connecting channels 77 in the flow direction S, so that the gaseous fluid flows essentially axially along the heat exchanger tubes 731.
  • the design of the heat exchanger tubes 731 is preferably straight, but can also include other elongated shapes, such as elongated spirally wound tubes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem (1) zur Flüssigkeitsimmersionskühlung von elektronischen Bauteilen, umfassend - einen Behälter (3), der im Inneren mit zweiphasigem Wärmeübertragungsfluid befüllbar ist, in dessen flüssige Phase elektronische Bauteile eingetaucht werden können, wobei der Behälter (3) einen Gasraum über der Oberfläche des flüssigen Wärmeübertragungsfluids aufweist, - eine Wärmeaustauschereinrichtung im Gasraum des Behälters (3) zur Bildung von flüssigem Wärmeübertragungsfluid, - zumindest eine Kondensatoreinheit (7), wobei sich die Kondensatoreinheit (7) mittels zumindest einer Fluideintrittsöffnung (71) und zumindest einer Fluidaustrittsöffnung (72) mit dem Gasraum des Behälters (3) zum Stoffaustausch von gasförmigem Medium zur Kondensatoreinheit (7) bzw. flüssigem Medium aus der Kondensatoreinheit (7) in Kontakt befindet und die Kondensatoreinheit (7) einen Auslass (79) aufweist, über den eine Restgasphase abführbar ist, wobei - die Kondensatoreinheit (7) in Strömungsrichtung (S) nach der zumindest einen Fluideintrittsöffnung (71) ein Rohrbündel (73) mit in ihrer axialen Richtung parallel zueinander verlaufenden Wärmeaustauscherrohren (731) in einem umschließenden Gehäuse (74) aufweist, wodurch im Gehäuse (74) ein Strömungskanal (75) gebildet wird, - das Rohrbündel (73) im Gehäuse (74) derart angeordnet ist, dass gasförmiges Medium im Strömungskanal (75) entlang der axialen Richtung der Wärmeaustauscherrohre (731) strömt.

Description

Beschreibung
Kühlsystem zur Flüssigkeitsimmersionskühlung von elektronischen Bauteilen
Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem zur Flüssigkeitsimmersionskühlung von elektronischen Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Kühlsysteme zur Flüssigkeitsimmersionskühlung sind beispielsweise als Zweiphasen-Tauchkühlsysteme eine effiziente Kühllösung für Elektronikbauteile, die im Betrieb viel Wärme erzeugen. Beim Eintauchen der Bauteile in ein zweiphasiges Wärmeübertragungsfluid, welches bevorzugt einen niedrigen Siedepunkt hat, kann die vom elektronischen Bauteil erzeugte Wärme das umgebende flüssige Wärmeübertragungsfluid verdampfen, wodurch Wärme von dem elektronischen Bauteil abgeführt wird. Eine Kondensatoreinrichtung verflüssigt das gasförmige Wärmeübertragungsfluid, welches dann in das Reservoir zur Kühlung zurückgeführt wird.
Aus der Druckschrift US 10 512 192 B2 ist ein zweiphasiges Tauchkühlsystem, mit einem Kühlbecken bekannt. Eine Kondensationskammer, in der das beim Kühlvorgang entstehende gasförmige Fluid kondensiert wird, steht in Verbindung mit dem flüssigen Fluid im Kühlbecken. Eine Dampfumleitungsstruktur ist hierbei über den wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten angeordnet, die sich innerhalb des Kühlmediums im Kühlbecken befinden. Das verdampfte Fluid wird mittels der Dampfumleitungsstruktur in die Kondensationskammer zur Verflüssigung geleitet. Die Kondensationskammer befindet sich innerhalb des Kühlbeckens. Aus der Druckschrift US 10 966 349 B1 ist ein zweiphasiges Tauchkühlsystem mit einem Tauchtank und einem Primärkondensator für gasförmiges Wärmeübertragungsfluid bekannt. Der Primärkondensator steht in thermischer Verbindung mit dem Innenvolumen des Tauchtanks. Das Tauchkühlsystem umfasst zudem ein Dampfmanagementsystem, das strömungsseitig mit dem Kopfraum des Tauchtanks verbunden ist. Das Dampfmanagementsystem ermöglicht es, Perioden mit hoher Dampfproduktion effektiv zu bewältigen, indem Fluiddampf und andere Gase aus dem Kopfraum des Tauchtanks entfernt werden, der Dampf zu Flüssigkeit kondensiert wird und die Flüssigkeit in den Tauchtank zurückgeführt wird.
Des Weiteren ist aus der Druckschrift US 10 477 726 B1 ein Kühlsystem für Computerkomponenten bekannt. In einem druckgesteuerten Behälter befindet sich ein wärmeleitendes, dielektrisches Wärmeübertragungsfluid in flüssiger und gasförmiger Phase, welches bei Atmosphärendruck einen Siedepunkt unter 80°C aufweist. Im Behälter sind Computerkomponenten angeordnet, die zumindest teilweise in die flüssige Phase des Wärmeübertragungsfluids eingetaucht sind. Mittels eines Kondensators wird das durch die Wärmeentwicklung der Computerkomponenten verdampfte dielektrische Gasphasenfluid zu dielektrischem Flüssigphasenfluid kondensiert. Im Innenraum des druckgesteuerten Behälters wird der Innendruck auf bis zu 650 hPa reduziert. Durch Steuern des Drucks im Behälter, bei dem das System arbeitet, kann der Benutzer die Temperatur beeinflussen, bei der die dielektrische Flüssigkeit verdampft. Hierdurch kann eine erhöhte Kühlleistung erzielt werden. Der Betrieb eines Computersystems innerhalb eines druckgesteuerten Behälters bei einem Betriebsdruck, der vom Umgebungsdruck abweicht, erfordert meist eine konstruktive Anpassung des Systems als Ganzes.
Aus der Druckschrift US 2021 / 0 153 392 A1 ist ein Kühlsystem mit einem
Behälter bekannt, der mit zweiphasigem Wärmeübertragungsfluid als Kühlmittel befüllbar ist, in dessen flüssige Phase elektronische Bauteile eingetaucht werden können. Der Behälter weist einen Gasraum über der Oberfläche des flüssigen Wärmeübertragungsfluids auf. Über dem Behälter ist eine abgetrennte externe Kondensatoreinrichtung angeordnet, die so konfiguriert ist, dass diese die Dampfphase des Wärmeübertragungsfluids kondensiert und als flüssiges Kühlmittel in den Behälter mit den elektronischen Bauteilen zurückführt. Das System umfasst hierzu Rücklauf- und Zufuhrleitungen, die sowohl mit der Kondensatoreinrichtung als auch mit dem Behälter verbunden sind, um eine Wärmetauschschleife zu bilden. Das System umfasst zudem ein Sammelgefäß, welches an der Versorgungsleitung angeordnet und so konfiguriert ist, dass es das kondensierte, flüssige Wärmeübertragungsfluid sammelt, bevor das Kühlmittel dem Behälter zugeführt wird. Dieser Akkumulator bietet auch eine Reservekühlkapazität für das Kühlsystem.
Aus der Druckschrift EP 3 453235 B1 ist ein Kühlsystem zur Tauchkühlung von elektronischen Bauteilen bekannt, mit einem druckdichten Tank, konfiguriert zum Fassen von Wärmeübertragungsfluid in flüssiger Form, in welches die elektronische Ausrüstung eingetaucht wird. Zudem ist ein Dampfraum oberhalb einer Oberfläche des flüssigen Wärmeübertragungsfluids vorhanden. Außerhalb des druckdichten Tanks ist ein Kondensator angeordnet, wobei der Kondensator einen Einlass aufweist, welcher durch ein Steigrohr mit dem Dampfraum verbunden und zum Aufnehmen von Wärmeübertragungsfluiddampf konfiguriert ist. Zudem weist der Kondensator einen dicht verschließbaren Dampfauslass für Restgase und einen Kondensatauslass mit einer Kondensat-Rückführleitung zum Tank auf. Die Kondensat-Rückführleitung ist so ausgeführt, dass durch sie kondensiertes Wärmeübertragungsfluid vom Kondensatauslass zum Tank zurückfließen kann. Innerhalb des Tanks können auch bereits weitere Kondensatorrohre zur Verflüssigung von gasförmigem Wärmeübertragungsfluid vorhanden sein. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem zur Flüssigkeitsimmersionskühlung von elektronischen Bauteilen bezüglich einer Wärmeaustauschereinrichtung weiterzubilden.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung schließt ein Kühlsystem zur Flüssigkeitsimmersionskühlung von elektronischen Bauteilen ein. Das Kühlsystem umfasst:
- einen Behälter, der im Inneren mit zweiphasigem Wärmeübertragungsfluid befüllbar ist, in dessen flüssige Phase elektronische Bauteile eingetaucht werden können, wobei der Behälter einen Gasraum über der Oberfläche des flüssigen Wärmeübertragungsfluids aufweist,
- eine Wärmeaustauschereinrichtung im Gasraum des Behälters zur Bildung von flüssigem Wärmeübertragungsfluid,
- zumindest eine Kondensatoreinheit, wobei sich die Kondensatoreinheit mittels zumindest einer Fluideintrittsöffnung mit dem Gasraum des Behälters zum Stoffaustausch von gasförmigem Medium zur Kondensatoreinheit bzw. flüssigem Medium aus der Kondensatoreinheit in Kontakt befindet und die Kondensatoreinheit einen Auslass aufweist, über den eine Restgasphase abführbar ist.
Erfindungsgemäß weist die Kondensatoreinheit in Strömungsrichtung nach der zumindest einen Fluideintrittsöffnung ein Rohrbündel mit in axialer Richtung parallel zueinander verlaufenden Wärmeaustauscherrohren in einem umschließenden Gehäuse auf, wodurch im Gehäuse ein Strömungskanal gebildet wird. Des Weiteren ist das Rohrbündel im Gehäuse derart angeordnet, dass gasförmiges Medium im Strömungskanal entlang der axialen Richtung der Wärmeaustauscherrohre strömt. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass das Gehäuse der Kondensatoreinheit mit einem innenliegenden Rohrbündel aus geraden und zueinander parallel verlaufenden Wärmeaustauscherrohren quasi eine langgezogene Kühlstrecke bildet, bei der aus dem Behälter stammendes gasförmiges Wärmeübertragungsfluid abgekühlt und verflüssigt wird. Das an den Wärmeaustauscherrohren auskondensierte Wärmeübertragungsfluid tropft auf den Gehäuseboden, der bevorzugt eine ausreichende Neigung gegenüber der Horizontalen in Richtung Fluidaustrittsöffnung aufweist, so dass die Rückströmung des flüssigen Wärmeübertragungsfluid durch die Fluidaustrittsöffnung in den Behälter stattfindet. Durch den Kondensationsvorgang wird stetig die Menge des gasförmiges Wärmeübertragungsfluid reduziert, so dass sich im Gehäuse der Kondensatoreinheit gegenüber dem Behälter ein Unterdrück einstellt. Dies hat zur Folge, dass aus dem Gasraum des Behälters stetig gasförmiges Wärmeübertragungsfluid durch die zumindest eine Fluideintrittsöffnung in das Gehäuse der Kondensatoreinheit einströmt. Das System regelt sich folglich druckabhängig und abhängig von der Wärmeübertragungsfläche selbstständig. Eine Kondensatoreinheit kann auch in mehrfacher Ausführung jeweils auf verschiedenen Positionen im oder außerhalb am Behälter individuell gestaltet werden, je nach Anforderung an die Kühlerfordernisse.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist die durch Wärmeaustauscherrohre gebildete besonders lange Kühlstrecke, entlang der das gasförmige Fluid im Inneren eines langgestreckten Gehäuses zwangsweise entlanggeführt wird.
Der Behälter kann druckdicht ausgeführt sein. Vorteilhafterweise kann der Behälter als Druckbehälter ausgeführt sein, der mit einem Unterdrück und/oder Überdruck betrieben werden kann. Durch Steuern des Drucks im Behälter, bei dem das Kühlsystem arbeitet, kann eine erhöhte Kühlleistung erzielt werden. Die Wärmeaustauschereinrichtung im Gasraum besteht bevorzugt aus zumindest einem Rohrbündel, gebildet aus mehreren parallel zueinander angeordneten Wärmeaustauscherrohren. Ein Rohrbündel kann mehrere zueinander parallel angeordnete Wärmeaustauscherrohre mit zwei endständigen Rohrböden aufweisen.
Die Wärmeaustauscherrohre sind bevorzugt Rippenrohre, welche aus Glattrohren hergestellt sind und einem Umformprozess unterzogen wurden. Sie eignen sich besonders als Komponenten in hocheffizienten, kompakten und äußerst stabilen Wärmeaustauschern mit einem hohen Wärmeübergangskoeffizienten. Die Rohroberflächen sind auf den spezifischen Wärmeübertragungsbedarf der Anwendung optimiert. Mit einer großen Auswahl an Werkstoffen, die Kupfer, Kupferlegierungen, Stähle, Titan oder Titanlegierungen beinhalten, wird sichergestellt, dass für unterschiedlichen Bedarf geeignetes Material für die jeweiligen Anforderungen, insbesondere in Bezug auf Haltbarkeit und Verformbarkeit, zur Verfügung steht.
Das zweiphasige Wärmeübertragungsfluid, auch als Kältemittel bezeichnet, stellt das im Behälter befindliche äußere Fluid dar, in dessen flüssigem Anteil die elektronischen Bauteile eingetaucht werden. Das in den Wärmeaustauscherrohren befindliche innere Fluid ist üblicherweise ein einphasiges Wärmeträgermedium, beispielsweise Prozesswasser, Glykol oder ein Thermoöl. Allerdings kann auch hier ein zweiphasiges Medium in Verbindung mit einem Kältekreislauf Verwendung finden.
Im Behälter sind die Elektronikbauteile in für eine Kühlung geeigneter Weise in einem Bad von flüssigem Wärmeübertragungsfluid angeordnet, welche durch Verdampfung des flüssigen Fluids gekühlt werden. Hierbei kann vor oder während der Inbetriebnahme der Anteil nicht kondensierbarer Gase aus dem System effektiv entfernt werden. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform können die Rechenkomponenten und Tauchkühlgeräte sowie die zugehörigen Stromversorgungen, Netzwerkverbindungen, Verdrahtungsverbindungen und dergleichen im Behälter angeordnet sein, der im Betrieb einen vom Umgebungsdruck abweichenden Innendruck aufweist.
In diesem Zusammenhang ist es auch von Vorteil, Strom-, Wasser-, Vakuum- und Netzwerkverbindungen in einem Bündel von Leitungen zu kombinieren, um die Durchführungen in den Behälter zu minimieren und um die Gefahr für Lecks zu reduzieren, insbesondere wenn das System im Betrieb unter Vakuum oder Überdruck steht.
In vorteilhaften Ausführungsformen wird der Behälter während des Betriebs auf bis zu 200 hPa weniger als der atmosphärische Umgebungsdruck gehalten, was dazu beiträgt, den Siedepunkt des zweiphasigen Wärmeübertragungsfluids zu senken und dadurch die Betriebstemperatur der Computerchips und anderer Komponenten zu reduzieren. In einigen besonderen Ausführungsformen kann der druckgesteuerte Behälter für einen noch geringeren Druck von bis zu 500 hPa unter dem Umgebungsdruck ausgelegt sein.
Erfindungsgemäße Ausführungsformen des Kühlsystems umfassen einen Behälter für dielektrisches Kühlfluid, eine Wärmeaustauschereinrichtung und eine Kondensatoreinheit zum Kondensieren des dielektrischen Fluids aus der gasförmigen Phase zu einer Flüssigkeit. Die außerhalb oder innerhalb des Behälters befindliche Kondensatoreinheit soll den Rest an gasförmigem Wärmeübertragungsfluid, welches auch gewisse Anteile an Luft und Wasserdampf enthält, zu einem möglichst großen Anteil zu flüssigem Wärmeübertragungsfluid kondensieren. Idealerweise wird das restliche Wärmeübertragungsfluid nahezu vollständig aus der Gasphase kondensiert, so dass als Restgasphase im Wesentlichen nur noch Luft und Wasserdampf übrigbleiben. Ziel bei der Abscheidung von flüssigem Wärmeübertragungsfluid ist dabei, durch eine geeignete Kühlleistung des Systems den Wasserdampf in der Gasphase zu halten. Dieses Restgasgemisch wird über einen Auslass der Kondensatoreinheit aus dem Kühlsystem abgeführt.
Zudem können Einrichtungen zum Halten von Computerkomponenten und zum Verteilen von Strom aus dem Stromversorgungssystem zu den Geräten und Komponenten angeordnet sein, die sich innerhalb des Behälters befinden. Es versteht sich, dass eine Vielzahl spezialisierter Verbindungen verwendet werden, um ein Computersystem innerhalb eines Behälters zu betreiben, der beispielsweise auf einem Unterdrück gehalten wird. Einige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems können eine Reihe von faseroptischen Schnittstellen verwenden, die eine Konnektivität im Behälter ermöglichen und um die Fasern auf die verschiedenen Haltevorrichtungen zu den elektronischen Komponenten zu verteilen. Einige Ausführungsformen des Behälters können für einen sicheren Betrieb Überwachungssensoren beinhalten. Diese Sensoren können Temperatursensoren, Fluidpegelsensoren, Drucksensoren, Positionssensoren, elektrische Sensoren und/oder Kameras umfassen, um den Betrieb des Systems sicherzustellen und zu automatisieren.
Diese Systeme können beispielsweise Drucksensoren innerhalb des druckgeregelten Behälters umfassen, die den Druck überwachen, um sicherzustellen, dass keine wesentlichen Leckagen vorhanden sind. Ebenso können Gassensoren, die an der Außenseite des druckgeregelten Behälters angeordnet sind und das Vorhandensein von möglicherweise vorhandenem dielektrischem Dampf erfassen, welcher aus dem druckgesteuerten Behälter austritt.
Zudem kann das Kühlsystem vorteilhafterweise eine Steuereinrichtung aufweisen, die dafür ausgelegt ist, den Betrieb der Fluidzirkulation, beispielsweise als Funktion der Temperatur des zweiphasigen Wärmeübertragungsfluids und die Druckverhältnisse im Behälter zu regeln.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der Strömungskanal in seinem Durchtrittsquerschnitt für das Fluid in Strömungsrichtung variieren. Diese Maßnahme soll die Strömung des Wärmeübertragungsfluids auf die in axialer Richtung parallel zueinander verlaufenden Wärmeaustauscherrohre bündeln und einen Rückstrom unterbinden.
Vorteilhafterweise kann der Strömungskanal eine Vielzahl an Kammern aufweisen, die durch Verbindungskanäle mit geringerem Durchtrittsquerschnitt verbunden sind. Hierdurch wird das gasförmige Wärmeübertragungsfluid von Kammer zu Kammer geleitet, bis eine Verflüssigung eintritt. Auf diese Weise soll die Verweildauer in den jeweiligen Kammern erhöht und die Strömung über den sich an den Engstellen einstellenden Druckgradienten gesteuert werden.
Zudem ist es auch vorteilhaft, dass im Strömungskanal das Rohrbündel mit den Wärmeaustauscherrohren durch die Kammern und durch die Verbindungskanäle hindurchgeführt sein können. Auch diese Maßnahme soll die Strömung des Wärmeübertragungsfluids auf die in axialer Richtung parallel zueinander verlaufenden Wärmeaustauscherrohre konzentrieren und einen Rückstrom unterbinden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können Leitstrukturen für das gasförmige Fluid angeordnet sein. Der Dampf wird somit gezwungen, entlang der Wärmeübertragerfläche des Rohrbündels hin zum Auslass zu strömen, um möglichst viel Kältemittel zu kondensieren.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Kondensatoreinheit innerhalb oder außerhalb des Behälters angeordnet sein. Je nach konstruktiver Auslegung und Platzbedarf ist die Kondensatoreinheit ein eigenständiges Modul, welches nur mit dem Gasraum des Behälters zu einem Stoffaustausch des Fluids in irgendeiner geeigneten Art und Weise in Verbindung stehen muss.
Vorteilhafterweise kann eine innerhalb des Behälters angeordnete Kondensatoreinheit über oder neben der Wärmeaustauschereinrichtung im Gasraum des Behälters angeordnet sein. In diesen Bereichen befindet sich insbesondere eine gasförmige Fluidphase, die bereits mit Restgasen, wie beispielsweise Luftbestandteilen oder Wasserdampf, angereichert ist und zur weiteren Kondensation zur Verfügung steht.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung kann am Auslass der Kondensatoreinheit nachgeschaltet ein Sammelbehälter angeordnet sein, über den die Restgasphase abführbar ist. Dieser Behälter sorgt auch dafür, dass von der Umgebung keine Luft in das Kühlsystem gelangen kann. Der Behälter kann ein expandierbarer elastischer Ballon oder ein im Volumen veränderbarer Balg sein.
In besonders bevorzugter Ausführungsform kann zwischen Auslass und Sammelbehälter eine Trocknungseinheit zur Abspaltung von Wasserdampf aus der Gasphase angeordnet sein. Oft ändert sich bei Lastwechsel die Drucklage im gesamten Kühlsystem. Sofern erforderlich, kann über den Sammelbehälter zum Druckausgleich dann Außenluft oder Restgas über die Trocknungseinheit in das Kühlsystem eingebracht werden. Für derartige Trocknungseinheiten eignet sich Silicagel, mit dem Wasserdampf abgebunden wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann am Auslass nachgeschaltet eine Vakuumpumpe angeordnet sein, über welche die Restgasphase abführbar ist. In diesem Fall kann die Restgasphase aus Wasserdampf und Luft am Auslass auch einen Unterdrück gegenüber der Umgebung aufweisen, da über eine Vakuumpumpe immer eine Strömungsrichtung des Restgases nach außen gewährleistet wird.
Vorteilhafterweise kann die Wärmeaustauschereinrichtung und die Kondensatoreinheit eine gemeinsame Versorgungseinheit für ein erstes einphasiges Wärmeträgermedium zur Kühlung aufweisen. So befinden sich beide Einheiten auf einem einheitlichen Temperaturniveau, welches sich für den Abscheideprozess des Wärmeaustauscherfluids eignet.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung kann die Kondensatoreinheit eine zweite Versorgungseinheit für ein zweites einphasiges Wärmeträgermedium zur Kühlung aufweisen. In der Kondensatoreinheit kann dann ein eigenständiges abweichendes Temperaturniveau für eine weitere effektive Trennung der einzelnen Phasenbestandteile eingestellt werden.
In besonders bevorzugter Ausführungsform kann die Kondensatoreinheit so ausgelegt sein, dass sie gegenüber der Wärmeaustauschereinrichtung bei geringerer Temperatur des einphasigen Wärmeträgermediums zur Kühlung betrieben werden kann. Insbesondere ist dabei zu berücksichtigen, dass Druck- und Temperaturbedingungen gewählt werden, die nicht unterhalb des Taupunktes des Wasseranteils liegen, um den Wasserdampf in der Restgasphase zu halten und ableiten zu können. In diesem Druck-Temperaturbereich kann die Kondensatoreinheit optimal eingesetzt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Vorderansicht eines Kühlsystems mit Kondensatoreinheit, Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines Kühlsystems mit Kondensatoreinheit, Fig. 3 eine weitere Seitenansicht eines Kühlsystems mit Kondensatoreinheit, und
Fig. 4 eine weitere Seitenansicht eines Kühlsystems mit Kondensatoreinheit.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Vorderansicht eines Kühlsystems 1 zur Flüssigkeitsimmersionskühlung von elektronischen Bauteilen 2. Das Kühlsystem 1 umfasst einen Behälter 3, der im Inneren mit zweiphasigem Wärmeübertragungsfluid befüllt ist. Das zweiphasige Wärmeübertragungsfluid stellt das im Behälter 3 befindliche äußere Fluid dar, mit einem flüssigen Wärmeübertragungsfluidanteil 4, in dem die elektronischen Bauteile 2 eingetaucht sind und einem Gasraum 5 mit gasförmigem Wärmeübertragungsfluidanteil. Im Behälter 3 ist eine Wärmeaustauschereinrichtung 6 im Gasraum 5 des Behälters 3 zur Bildung von flüssigem Wärmeübertragungsfluid 4 angeordnet.
Die Wärmeaustauschereinrichtung 6 im Gasraum 5 besteht in dieser vorteilhaften Ausführung aus Rohrbündeln mit jeweils mehreren parallel zueinander angeordneten Wärmeaustauscherrohren.
In der Fig. 1 ist in der dargestellten Ausführungsform der Behälter 3 im Bereich des flüssigen Wärmeübertragungsfluids 4 etwas verjüngt, indem die Behälterwandung nach innen kragt und sich erst im Gasraum 5 öffnet. Die Form des Behälters 3 wird durch einen Metallprofilrahmen 31 gestützt. Der Behälter 3 wird folglich bereits durch ein stabilisierendes Außengestell umschlossen.
Eine Kondensatoreinheit 7 ist auf der linken Seite außerhalb des Behälters 3 und auf der rechten Seite des Behälters 3 innen angeordnet. Die Kondensatoreinheit 7 ist zum Stoffaustausch von gasförmigem Medium mittels einer Fluideintrittsöffnung 71 mit dem Gasraum 5 des Behälters 3 verbunden. Ebenso ist am Ende einer schräg abfallenden Bodenfläche des Gehäuses 74 eine Fluidaustrittsöffnung 72 für verflüssigtes Wärmeübertragungsfluid zum Behälter 3 angeordnet, über die flüssiges Wärmeübertragungsfluid aus der Kondensatoreinheit 7 wieder in den Behälter 3 gelangt.
Zur Regelung des Stoffaustausches sind in der Fluideintrittsöffnung 71 ein Ventil 710 und der Fluidaustrittsöffnung 72 ein Ventil 720 eingebaut. Über das Ventil 710 der Fluideintrittsöffnung 71 wird so zyklisch oder kontinuierlich ein gasförmiges Stoffgemisch aus Wärmeübertragungsfluid, Luft und Wasserdampf aus dem Behälter 3 abgezogen. Über das Ventil 720 der Fluidaustrittsöffnung 72 wird lediglich flüssiges Wärmeübertragungsfluid in den Behälter 3 zurückgeführt.
Die verbleibende Restgasphase, welche nach nahezu vollständiger Kondensation des Wärmeübertragungsfluids im Wesentlichen lediglich aus Luft und Wasserdampf besteht, wird über einen Auslass 79 mittels eines Ventils 910 nach außen abgeführt. Zur zusätzlichen Abspaltung von Wasserdampf ist zwischen Auslass 79 und Sammelbehälter 9 eine Trocknungseinheit 8 zur Abspaltung von Wasserdampf aus der Gasphase angeordnet.
Je nach Drucklage kann die Restgasphase direkt an die Umgebung abgeführt werden. Alternativ kann die Restgasphase jedoch auch über eine Vakuumpumpe 10 abgeführt werden. Der Auslass 79 ist hierzu über eine Zuführleitung 101 mit einer Vakuumpumpe 10 verbunden, welche über eine Ventilsteuerung 1010 den Restgasfluss mittels einer Abführleitung 102 der Vakuumpumpe 10 nach außen regelt.
Alternativ oder zusätzlich kann die Restgasphase auch über eine Zuführleitung 91 mit Ventil 910 zu einem Sammelbehälter 9 geführt werden, der als im Volumen expandierfähiger Balg zur Erzeugung eines Unterdrucks ausgelegt sein kann. Wird im Betrieb das Ventil 910 zum Sammelbehälter 9 geschlossen, kann das Restgas über die Abführleitung 92 des Sammelbehälters 9 bei geöffnetem Ventil 920 abgeführt werden.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Kühlsystems 1 mit Kondensatoreinheit 7. Die Kondensatoreinheit 7 ist an der Längsseite außerhalb des Behälters 3 angebracht. Die Fluideintrittsöffnung 71 verbindet den dahinter liegenden Gasraum des Behälters 3 mit der Kondensatoreinheit 7. Durch diese Fluideintrittsöffnung 71 strömt gasförmiges Fluid aus dem Behälter 3 nach. Die Fluidaustrittsöffnung 72 befindet sich am Ende einer Schräge am tiefsten Punkt der Bodenfläche 741 des Gehäuses 74 der Kondensatoreinheit 7. Über diese Fluidaustrittsöffnung 72 gelangt das kondensierte flüssige Fluid wieder in den Behälter 3 zurück. Das über die Fluideintrittsöffnung 71 einströmende gasförmige Fluid trifft auf das Rohrbündel 73 bestehend aus einer Vielzahl von Wärmeaustauscherrohren 731 und wird in Strömungsrichtung S im Wesentlichen axial an den Wärmeaustauscherrohren 731 im Strömungskanal 75 entlanggeführt. Zur gezielten Umlenkung des gasförmigen Fluids sind Leitstrukturen 78 vorhanden, wodurch der das gasförmige Fluid gezwungen wird, bevorzugt entlang des Rohrbündels 73 hin zum Auslass 79 zu strömen. Bei dem Kondensationsvorgang wird entlang des Rohrbündels 73 stetig das Volumen des gasförmigen Fluids und damit der Druck reduziert. Durch den sich dadurch einstellenden Druckgradienten entsteht in der Kondensatoreinheit 7 gegenüber dem Behälter 3 ein Unterdrück, wodurch stetig gasförmiges Fluid durch die Fluideintrittsöffnung 71 nachströmt. Im Bereich des Auslasses 79 reichert sich in Folge der stetigen Kondensation von gasförmigem Fluid die nicht kondensierbaren Gasbestandteile, wie Luftbestandteile und Wasserdampf, an. Diese nicht kondensierbaren Gasbestandteile werden dann über den Auslass 79 aus dem Kühlsystem 1 abgeführt. Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere Seitenansicht eines Kühlsystems 1 mit Kondensatoreinheit 7. In gleicher Weise wie in Fig. 2 bereits dargestellt, ist die Kondensatoreinheit 7 an der oberen Außenseite des Behälters 3 mit einer Fluideintrittsöffnung 71 und einer Fluidaustrittsöffnung 72 angeordnet. Die Bodenfläche 741 des Gehäuses 74 ist wiederum mit einem gewissen Gefälle in Richtung der Fluidaustrittsöffnung 72 ausgeführt.
An der Oberseite des Gehäuses 74 sind in Strömungsrichtung S, Einsenkungen 742 ausgeführt, die dazu führen, dass Kammern 76 gebildet werden, die über sich verengende Verbindungskanäle 77 einen Stoffaustauch für das gasförmige Fluid ermöglichen. Diese Engstellen haben jedoch noch einen ausreichenden Durchtrittsquerschnitt D, durch den das Rohrbündel 73 mit den Wärmeaustauscherrohren 731 hindurchgeführt ist. Entlang der Strömungsrichtung S sind im Strömungskanal 75 folglich eine Reihe aufeinander folgender Kammern 76 angeordnet, welche jeweils die Verweilzeit des gasförmigen Fluids erhöhen und einen Rückstrom des gasförmigen Fluids verhindern. Am Auslass 79 werden wiederum insbesondere die nicht kondensierbaren Gasbestandteile aus dem Kühlsystem 1 abgeführt.
Fig. 4 zeigt schematisch eine weitere Seitenansicht eines Kühlsystems 1 mit Kondensatoreinheit 7 in einer Ausgestaltung mit einem Rohrbündel- Lamellenwärmetauscher 73. Die Lamellen wirken bei dieser Ausführungsform als Leitstrukturen 78, welche einerseits das gasförmige Fluid führen und zudem eine Vielzahl an Kammern 76 ausbilden, durch die gasförmiges Fluid von der Fluideintrittsöffnung 71 in Strömungsrichtung S zum Auslass 79 geführt wird. Die Bodenfläche 741 des Gehäuses 74 ist wiederum zur Fluidaustrittsöffnung 72 geneigt ausgestaltet, um das kondensierte flüssige Fluid in den Behälter 3 zurückzuführen. Im Rohrbündel-Lamellenwärmetauscher 73 sind die Rohre über die Länge des Gehäuses 74 parallel zueinander geführt und endständig durch Rohrbögen strömungstechnisch hintereinander in Reihe geschaltet. Die als Lamellen ausgebildeten Leitstrukturen 78 sind in Strömungsrichtung S mit Durchtrittsstellen als Verbindungskanäle 77 versehen, so dass das gasförmige Fluid im Wesentlichen axial entlang den Wärmeaustauscherrohren 731 strömt. Die Ausführung der Wärmeaustauscherrohre 731 ist bevorzugt gerade, kann jedoch auch andere langgestreckte Formen umfassen, wie beispielsweise langgestreckte spiralig gewendelte Rohre.
Bezugszeichenliste Kühlsystem elektronische Bauteile Behälter Metallprofilrahmen Wärmeübertragungsfluid Oberfläche des flüssigen Wärmeübertragungsfluids Gasraum Wärmeaustauschereinrichtung Kondensatoreinheit Fluideintrittsöffnung Ventil Fluidaustrittsöffnung Ventil Rohrbündel Wärmeaustauscherrohre Gehäuse Bodenfläche des Gehäuses Einsenkungen Strömungskanal Kammern Verbindungskanäle Leitstrukturen Auslass Trocknungseinheit
9 Sammelbehälter, Balg
91 Zuführleitung Sammelbehälter
910 Ventil der Zuführleitung Sammelbehälter
92 Abführleitung Sammelbehälter
920 Ventil der Abführleitung Sammelbehälter
10 Vakuumpumpe
101 Zuführleitung Vakuumpumpe
1010 Ventil der Zuführleitung Vakuumpumpe
102 Abführleitung Vakuumpumpe
D Durchtrittsquerschnitt
S Strömungsrichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Kühlsystem (1 ) zur Flüssigkeitsimmersionskühlung von elektronischen Bauteilen (2), umfassend
- einen Behälter (3), der im Inneren mit zweiphasigem Wärmeübertragungsfluid (4) befüllbar ist, in dessen flüssige Phase elektronische Bauteile (2) eingetaucht werden können, wobei der Behälter (3) einen Gasraum (5) über der Oberfläche (41 ) des flüssigen Wärmeübertragungsfluids (4) aufweist,
- eine Wärmeaustauschereinrichtung (6) im Gasraum (5) des Behälters (3) zur Bildung von flüssigem Wärmeübertragungsfluid (4),
- zumindest eine Kondensatoreinheit (7), wobei sich die Kondensatoreinheit (7) mittels zumindest einer Fluideintrittsöffnung (71 ) und zumindest einer Fluidaustrittsöffnung (72) mit dem Gasraum (5) des Behälters (3) zum Stoffaustausch von gasförmigem Medium zur Kondensatoreinheit (7) bzw. flüssigem Medium aus der Kondensatoreinheit (7) in Kontakt befindet und die
Kondensatoreinheit (7) einen Auslass (79) aufweist, über den eine Restgasphase abführbar ist, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Kondensatoreinheit (7) in Strömungsrichtung (S) nach der zumindest einen Fluideintrittsöffnung (71 ) ein Rohrbündel (73) mit in axialer Richtung parallel zueinander verlaufenden Wärmeaustauscherrohren (731 ) in einem umschließenden Gehäuse (74) aufweist, wodurch im
Gehäuse (74) ein Strömungskanal (75) gebildet wird,
- dass das Rohrbündel (73) im Gehäuse (74) derart angeordnet ist, dass gasförmiges Medium im Strömungskanal (75) entlang der axialen Richtung der Wärmeaustauscherrohre (731 ) strömt.
2. Kühlsystem (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (75) in seinem Durchtrittsquerschnitt (D) für das Fluid in Strömungsrichtung (S) variiert.
3. Kühlsystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (75) eine Vielzahl an Kammern (76) aufweist, die durch Verbindungskanäle (77) mit geringerem Durchtrittsquerschnitt (D) verbunden sind.
4. Kühlsystem (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungskanal (75) das Rohrbündel (73) mit den Wärmeaustauscherrohren (731 ) durch die Kammern (76) und durch die Verbindungskanäle (77) hindurchgeführt sind.
5. Kühlsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Leitstrukturen (78) für das gasförmige Fluid angeordnet sind.
6. Kühlsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoreinheit (7) innerhalb oder außerhalb des Behälters (3) angeordnet ist.
7. Kühlsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine innerhalb des Behälters (3) angeordnete Kondensatoreinheit (7) über oder neben der Wärmeaustauschereinrichtung (6) im Gasraum (5) des Behälters (3) angeordnet ist.
8. Kühlsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Auslass (79) der Kondensatoreinheit (7) nachgeschaltet ein Sammelbehälter (9) angeordnet ist, über den die Restgasphase abführbar ist.
9. Kühlsystem (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Auslass (79) und Sammelbehälter (9) eine Trocknungseinheit (8) zur Abspaltung von Wasserdampf aus der Gasphase angeordnet ist.
10. Kühlsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Auslass (79) nachgeschaltet eine Vakuumpumpe (10) angeordnet ist, über welche die Restgasphase abführbar ist.
11. Kühlsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschereinrichtung (6) und die Kondensatoreinheit (7) eine gemeinsame Versorgungseinheit für ein erstes einphasiges Wärmeträgermedium zur Kühlung aufweisen.
12. Kühlsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoreinheit (7) eine zweite Versorgungseinheit für ein zweites einphasiges Wärmeträgermedium zur Kühlung aufweist.
13. Kühlsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoreinheit (7) so ausgelegt ist, dass sie gegenüber der Wärmeaustauschereinrichtung (6) bei geringerer Temperatur des einphasigen Wärmeträgermediums zur Kühlung betrieben werden kann.
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