DE2231597A1

DE2231597A1 - Kuehleinrichtung fuer elektrische bauelemente

Info

Publication number: DE2231597A1
Application number: DE2231597A
Authority: DE
Inventors: Nanda Kumar G Aakalu; Richard C Chu; Robert Simons
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-06-30
Filing date: 1972-06-28
Publication date: 1973-01-18
Also published as: IT953761B; JPS5215358B1; US3741292A; DE2231597B2; FR2143733A1; FR2143733B1; GB1319937A; DE2231597C3; JPS4817275A; CA961149A

Description

Böblingen, 26. Juni 19 72 ar-wk

Anmelderini International Business Machines

Corporation, Armonk, N..Y. LO5O4

AmtI. Akte nzexehe η: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: PO 971 019

Kühlei nrichtung für elekt rl sch e Baue 1 eine η te

Diese Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für wärmeerzeuqen— de Objekte, insbesondere für auf einer Schalttafel befestigte elektronische Moduls, die in einem Hohlraum eines Behälters angeordnet und von einer Siedeflüssigkeit umgeben sind, welche in Abhängigkeit von der erzeugten und abzuleitenden Wärme aufsteigende Dampfbläschen bildet, die an einen die Wärme abführenden Wärmetaus eher kondensieren.

Bei dieser Kühleinrichtung handelt es sich um einen Wärmetauscher, der ein Flüssigkeitskühlsystem und ein Kühlluftsystem enthält, die miteinander kombiniert sind und bei dem die abzuführende Wärme vom zu kühlenden Objekt zunächst in eine Siedeflüssigkeit und von dieser auf Kühlrippen übertragen wird, von denen sie durch vorbe,iströmende Kühlluft entfernt wird.

Mit den zunehmenden Miniaturisierungsbestrebungen auf dem Gebiet der elektronischen Festkörperschaltungen erwuchsen in gleicher Weise thermische Probleme. Dementsprechend wurden bereits die verschiedensten Kühlungsverfahren und Wärmetauscher-Anordnungen in diesem Zusammenhang untersucht. Man kann heute sagen, daß die mit Luftkühlung arbeitenden Kühleinrichtungen an Grenzen gestoßen sind, wo ihre PraktikabiIitat fraglich wird. Die Größe des zu einer wirksamen Kühlung erforderlichen Luftdurchsatzes bewirkt bereits Geräuschprobleme, und ohne nennenswerte zusätzliche Auf-

20 9 883/070 9

Wendungen ist es heute unmöglich, eine äußeret große Anzahl von Bauelementen innerhalb ihren engen thermischen Toleranzbereiche.s zu halten. Insbesondere bei extrem miniaturisierten bzw. integrierten Schaltungen elektronischer Rechner wurden deshalb auch bereits die verschiedenen Kombinationen von Luft/Flüssigkeitskühlsystemen ins Auge gefaßt.

Eine neue Entwicklungs-Richtung auf diesem Gebiet wie sie durch das US-Patent 3 406 244 und US 3 417 814 bekannt wurde, besteht in einer Flüssigkeitskühlungsanordnung, bei der die zu kühlenden Bauelemente vollständig in einen Behälter mit Kühlflüssigkeit eingetaucht sind. Als Kühlflüssigkeiten werden Kohlenstoff-Fluoride mit niedrigem Siedepunkt verwendet. Diese Flüssigkeiten v/eisen sowohl dielektrisches Verhalten als auch die verschiedensten Arten von Siedevorgängen bei relativ niedrigen Temperaturen auf.

Der Wärmeübergang von dem zu kühlenden Objekt und damit die Größe des Wärmestromes ist von dem Siedeverhalten dieser Flüssigkeit und von der Benetzungsfläche dieser das Objekt umgebenden Flüssigkeit abhängig. Bei einem kleinen Wärmestrom, der eine niedere Temperatur verursacht, die unter dem Siedepunkt dieser Flüssigkeit liegt, erfolgt die Wärmeableitung durch die natürliche Konvektion. Erzeugt das zu kühlende Objekt eine größere Wärme, so daß die Temperatur der Flüssigkeit den Siedepunkt erreicht, dann kommt zu der Konvektion noch die Wärmeableitung mittels Dampfbläschen, die sich an den heißen Stellen des zu kühlenden Objektes bilden. Diese an den heißen Stellen des zu kühlenden Objektes sich bildenden kleinen Dampfbläschen schließen sich zu größeren Dampfblasen zusammen, welche als kräftige Konvektionsströmung zur Oberfläche der Flüssigkeit aufsteigen. Somit ergibt sich durch die Flüssigkeit, deren Siedetemperatur an die zulässige Temperatur des zu kühlenden Objektes angepaßt ist eine sehr wirksame Ableitung der Wärme und es besteht der große Vorzug, daß insbesondere die kritischen heißen Stellen gut gekühlt werden; da an diesen zuerst das Sieden der Flüssigkeit stattfindet. Erhöht sich die vom zu kühlenden Objekt in die Flüssigkeit übertragene Wärmemenge, dann erhöht sich die Anzahl der Siedestellen in der Flüssigkeit,

209883/0709
BAD ORIGINAL

jedoch nur bis zu der Grenze, bei der die gesagte Flüssigkeit siedet und sich die einzelnen Darrofblasen zu großen Dampfblasen zusammenschließen, wodurch sich letzlich eine Sättiguna im Wärmetransport ergibt. Diese Grenze, bei der die gesamte Kühlflüssigkeit siedet, ist die praktische Grenze zur Kühlung von elektronischen Baugruppen oder Bauelementen und sie sollte so gewählt sein, daß sie auch die ungünstigsten Betriebsverhältnisse berücksichtigt. Diese bekannten Kühlverfahren mit Hilfe von siedenden Flüssigkeiten sind sehr wirksam,, jedoch bestehen auch Nachteile derart, daß die Anordnung und Zugänglichkeit der zu . kühlenden Baugruppen, welche in der neuzeitlichen Schaltungstechnik eine große Packungsdichte aufweisen,, in den Behältern für die Siedeflüssigkeit ziemlich schwierig und umständlich ist. Besondere Probleme ergeben sich zusätzlich, wenn diese elektronischen Baugruppen, Bauelemente und dergleichen überprüft oder gewartet v/erden müssen. Entweder muß in diesen Fällen die Flüssigkeit abgelassen werden oder die zu kühlenden Objekte müssen aus der Siedeflüssigkeit herausgehoben werden. Eine weitere Komplikation ergibt sich dadurch, daß die speziellen Siedeflüssigkeiten sehr flüchtig sind und, daß sie auf keinen Fall verunreinigt werden dürfen. Beispielsweise absorbieren die vorgenannten Flüssigkeiten mit niedrigem Siedepunkt äußerst stark Luft und müssen daher nach jedem Eingriff entgast werden. Weiterhin entstehen nicht unerhebliche Packungsprobleme, da ja alle wärmeerzeugenden Bauelemente vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht sein müssen.

Durch die amerikanische Patentschrift 3 417 814 wurde eine Kühleinrichtung bekannt, bei, der das Wärme erzeugende und zu kühlende Objekt (beispielsweise ein Kernspeicher) auf dem Grund eines Behälters so angeordnet ist, daß er vollständig in eine Siedeflüssigkeit eintaucht. Über dieser Schicht aus Siedeflüssigkeit befindet sich eine Kondensationsschicht aus einer gekühlten Flüssigkeit, die sich nicht mit der Siedeflüssigkeit vermischt. In der Grenzfläche dieser einander überlagerten Flüssiakeiten kondensieren die aus der Siedeflüssigkoit aufsteigenden Damnfblas-

po 971 019 209883/07 09

-A-

cher>. Die Kondensationsflüssigkeit wird auf möglichst gleicher Temperatur dadurch gehalten, daß in dieselbe metallische Wärmeableitripoen getaucht sind., welche durch strömende Luft gekühlt werden.

Durch die Offenlegungsschrift 1 9 35 125 wurde ein Verfahren und eine Anordnung zur Flüssigkeitskühlung, insbesondere für elektronische Bauelemente, Baugruppen, den sogenannten "Moduls" bekannt, wobei diese Moduls in eine Flüssigkeit eingetaucht und einzeln gekühlt werden. Unter der Bezeichnung "Modul" versteht man eine elektronische Baugruppe, bei der die einzelnen Bauelemente, vorwiegend Halbleiter, in integrierter Form, evtl. in monolithischer und/oder in mikrominiaturisierter Bauweise zu einem Baustein vereinigt sind, der somit eine große Packungsdichte aufweist. Mehrere dieser Moduls sind auf einer Schaltungstafel angeordnet, die meistens in einen Rahmen des Maschinengestelles einsetzbar ist. Bei dieser vorgenannten bekannten Kühleinrichtung ist jeweils eine mit Moduls bestückte Schalttafel in eine ihrer zugeordnete Kammer als Seitenwand so eingesetzt, daß die Moduls von der Flüssigkeit umgeben sind und ihre Anschlußstifte, die aus der anderen Oberflächenseite der Schalttafel herausragen, gut zugänglich sind. Die einzelnen Kammern sind über Rohrleitungen mit einem gemeinsamen Speisekessel, der die Siedeflüssigkeit enthält, verbunden, dabei enthält sowohl die Vorlaufleitung als auch die Rücklaufleitung für jede Kammer jeweils ein Absperrventil, so daß jede Schalttafel mit ihren Moduls aus ihrer Kammer entnehmbar ist, ohne daß sie gesamte Siedeflüssigkeit der Kühleinrichtung entleert werden muß. In den einzelnen Kammern sind die Moduls von der Siedeflüssigkeit umspült, so daß innerhalb der Kammer die Wärmeübertragung von den Moduls auf die Siedeflüssigkeit stattfindet. Außerdem ist in jeder Kammer noch ein spezieller Wärmetauscher angeordnet, durch den die aufgenommene Wärme der Siedeflüssigkeit, welche eine niedrige Siedetemperatur aufweist, in ein anderes Kühlmittel, z.B. Wasser übertragen und durch dieses abgeführt wird. Die Siedeflüssigkeit in den einzelnen Kammern wird von einem Speisekessel geliefert und sie zirkuliert entweder angetrieben

po 97i 019 ?Π9Β8 3

durch Pumpen, oder wie in der bekannten Ausführung nach dem Schv/erkraftprinzip.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine verbesserte und einfachere Kühleinrichtung zu schaffen, bei der die auf einer Schalttafel angeordneten Moduls oder andere zu kühlende wärmeerzeugenden Objekte von einer Flüssigkeit eines selbstständigen Kühlsystems umgeben sind und bei der eine zusätzliche Kühlung durch ein Kühlluftsystem erfolgt. Dieses Kühlluftsystem soll so konstruiert sein, daß wenn die !"oduls auf der Schalttafel in einen vertikalen Raster übereinander angeordnet sind, daß sich zur Verbesserung des Kühleffektes eine Luftturbulenz ergibt. Außerdem besteht die Forderung, daß konstruktive Maßnahmen vorgesehen sind, welche die Siedeflüssigkeit vor Verunreinigungen schützen und die Verwendung einer binären Siedeflüssigkeit ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der allseitig luft- und flüssigkeitsdicht geschlossene Hohlraum des Behälters so weit mit Siedeflüssigkeit gefüllt ist, daß die zu kühlenden Objekte in diese vollständig eintauchen, daß sich über der Oberfläche der Siedeflüssigkeit ein Dampfraum, der dem restlichen Hohlraum entspricht, befindet, daß dieser wenigstens von einer Behälterwand der Oberfläche der Siedeflüssigkeit sich erstreckende, zur Kondensation der Dampfbläschen dienende innere Kühlrippen enthält, und daß der Behälter an wenigstens einer Außenseite mit nach außen sich erstreckenden, zur Wärmeableitung an die vorbeiströmende Luft dienenden, äußeren Kühlrippen versehen ist.

Bei der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung sind die wärmeerzeugenden und zu kühlenden Moduls auf einer Seite einer Schalttafel zweckmäßigerweise rasterförmig angeordnet und diese Schalttafel ist ein Wandteil eines geschlossenen Behälters, der in seinem Innenraum die Siedeflüssigkeit enthält. Die Schalttafel ist luft- und flüssigkeitsdicht mit dem übrigen Behälter verbunden, so daß die Moduls von der Siedeflüssigkeit vollständig umgeben sind, die

2098B3/0709

PO 971 019

den Hohlraum des Behälters nicht vollständig ausfüllt. In dem Hohlraum des Behälters befindet sich über dem Oberflächenspiegel der Siedeflüssigkeit, die eine niedere Siedetemperatur aufweist, noch ein Dampfraum. Von der Innenseite des Behälters erstrecken sich in den Hohlraum,- zumindestens im Dampf raum in vertikaler Richtung Kühlrippen, an denen die aus der Siedeflüssinkeit aufsteigenden Dampfbläschen kondensieren. Auch von der Außenseite des Behälters erstrecken sich in dessen Umgebungslufträum äußere Kühlrippen, welche zur Ableitung der von den inneren Kühlrippen aufgenommene Wärme dienen.

Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung ist im Vergleich zu den bekannten Kühlanordnungen bzw. Wärmetauschern, die den gleichen Zwecken dienen, aufgrund ihrer einfachen und sinnreichen Ausführung überlegen. Gegenüber dem durch das US-Patent 3*417 814 benannten und eingangs kurz beschriebenen Wärmetauscher benötigt die erfindungsgemäße Kühleinrichtung nur eine Flüssigkeitsdichte und gegenüber der durch die Offenlegungsschrift 1 9 35 125 bekannten und eingangs erwähnten Kühlanordnungen erfordert sie keinen zentralen Speisekessel als Speicher für die Siedeflüssigkeit, keine Zu- und Rücklaufleitungen für die Siedeflüssigkeit und die Kühlflüssigkeit des Wärmetauschers.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung anhand von Zeichnungen, Fign. 1 bis 3, ausführlicher beschrieben. Von den Figuren stellen dar:

Fig. 1 eine Teilschnitt-Ansicht einer in isometrischer

Darstellung abgebildete Kühleinrichtung,

Fig. 2 eine schematische Ansicht, die zeigt wie die Be

hälter mit den Schalttafeln und den von der Siedeflüssigkeit umgebenen Moduls senkrecht übereinander in einem Kanal anaeordnetsind, der von Kühlluft durchströmt wird,

po 9 71 019 2 0 98 83/07Π9

■ - 7 -

Fig. 3 eine Teilschnitt-Ansicht einer in isometrischer

Darstellung abgebildeten Kühleinrichtung, bei der die Schalttafel mit den Moduls in horizontaler Richtung angeordnet ist.

Aus der Fig. 1 ist zu ersehen, daß eine Anzahl von Moduls 12, welche die wärmeerzeugenden und zu kühlenden elektrischen Bauelemente, z. B. Transistoren- enthalten, mit Abstand übereinanderliegend auf einer Oberflächenseite einer VerteilerDlatte oder Schalttafel 10 befestigt sind. Die Moduls 12 sind auf ihrer Unterseite mit Anschlußstiften 16 versehen, die die Schalttafel 10 durchdringen und aus der anderen zugänglichen Seite dieser Schalttafel 10 herausragen. Auf dieser sogenannten Schaltseite sind die herausragenden Anschlußstifte 16 durch Steckverbindungen oder andere Verdrahtungsarten, z.B. lösbare Würgeverbindungen miteinander, oder mit den Anschlußleitungen oder den Signalleitungen den Erfordernissen entsprechend verbindbar. Die Moduls 12 sind spaltenweise, übereinanderliegend, vorzugsweise in Form eines Rasters auf der Schalttafel 10 befestigt, jedoch können auch andere Anordnungsformen gewählt werden, wenn dies zweckmäßig erscheint. Die Schalttafel 10 ist, wie die Fig. 1. zeigt, an ihren Randbereichen flüssigkeitsdicht mit einem Behälter 18 verbunden, dabei dient sie als Teil der Vorderwand des Behälters 18, so daß sich ein geschlossener Hohlkörper ergibt, in dessen Hohlraum die Moduls 12 einragen. Wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist, hat die Schalttafel 10 bzw. die Anordnung der vertikalen mit Abstand übereinanderliegenden Moduls 12 eine geringere Höhe als die innere Gesamthöhe des Hohlraums im Behälter 18. Die Fläche der offenen Vorderwand zwischen dem oberen Endbereich der Schalttafel 10 und der Oberseite des Behälters 18 wird durch eine Abdeckplatte 20 luftdicht verschlossen.

Der Hohlraum des Behälters 18 ist nur teilweise mit einer dielektrischen Siedeflüssigkeit 24, die eine niedrige Siedetemperatur aufweist, gefüllt, z.B. sind Kohlenstoff-Fluoride vorteilhaft verwendbar. Der Hohlraum des Behälters 18 ist bis zu einer Höhe mit dieser Siedeflüssigkeit 24 gefüllt, so daß deren Oberflächenspie-

po 971 019 209 8 83/0709

gel über den oberen Modul 12 liegt und diese Modul 12 mit Sicherheit bei allen Betriebsfällen von dieser Siedeflüssigkeit 24 umgeben sind. Der Rest des oberen Hohlraumes vom Behälter 18, welcher über dem Oberflächenspiegel der Siedeflüssigkeit 24 liegt, bildet den sogenannten Dampfraum 22. Es wird betont, daß die dielektrische Siedeflüssigkeit 24 in direktem physikalischen Kontakt mit der Oberfläche der Moduls 12 steht. Falls es sich ergibt, daß die Oberfläche der Moduls 12 zu klein ist, um den erforderlichen Wärmeabfluß von den Moduls 12· in die Siedeflüssiakeit 24 zu erhalten und um die gewünschte Kühlung zu erreichen,, ist es notwendig, die Oberflächen dieser kritischen Moduls 12 durch zusätzlich angeordnete Kühlfahnen zu vergrößern.

In dem Behälter 18 hat dessen Rückwand 26, welche der Schalttafel 10 gegenüber liegt, einen schräcen Verlauf, wie die Ficr. 1 zeict. Dadurch ergibt sich im Behälter IS ein Hohlraum,· der sich zur Oberseite hin keilförmig erweitert und der an der Unterseite eine relativ kleine Grundfläche aufweist. Von der schräg geneigten Behälter rückwand 26 aus erstreckt sich eine Anzahl von Pinpen 2<? in den Hohlraum des Behälters 18. Diese inneren Rinnen 20 haben eine keilförmige Form und sie rager, von der schrägen Rückwand bis zu der Schalttafel .10 vor; sie sind in einer Abstand zueinander parallel angeordnet und verlaufen im rechten Winkel zur Oberfläche eier Schalttafel 10. Desgleichen erstrecken sie sich auch in vertikaler Richtung senkrecht iin Hohlraum des Behälters 18. Aus dieser Anordnung und der keilfrrmicen Gestalt des Hohlraumes und der inneren Kühlrippen 28 ergibt sich, daß die Oberfläche der inneren Kühlrippen 28 im Dappfraur 22 größer ist als die von der Siedeflüssigkeit 24 benetzte Gesamtfläche der inneren Kühlrippen 28. Zn der Kühlfäche der Kühlripnen 28 ist auch die Fläche der schräg ceneiaten Rückwand 26 des Behälters IS zu rechnen, welche zwischen den parallelen inneren Kühlripnen 28 liegt. Aus der Fig. 1 ist gut zu ersehen, daß die Größe der Oberflächen von den inneren Kühlripnen 28 nach unten stark abnimmt,- infolge der schräg geneigten Rückwand 26 des Behälters 18.

971 019 209883/0709

BAD ORIGINAL

Die Fig. 1 zeigt, daß sich von der Außenseite dieser schräg verlaufenden Rückwand 26 ebenfalls äußere Kühlrippen 30 nach außen in den Umgebungslufträum erstrecken.

Diese äußeren Kühlrippen 30 haben zueinander den gleichen Abstand wie die inneren Kühlrippen 28 und sie sind ebenfalls in vertikaler Richtung angeordnet. Zwischen den inneren Kühlrippen 28 und den äußeren Kühlrippen 30 besteht insofern ein unterschied, derart, daß im oberen Bereich des Behälters 18 die inneren Kühlrippen 28 breit sind und eine große Fläche aufweisen; die äußeren Kühlrippen 30 hingegen relativ schmal sind und demzufolge nur eine relativ kleine Kühlfläche haben. Infolae der schräg geneigten Behälterrückwand 26 sind die äußeren Rippen 30 im Bereich der Oberseite des Behälters 18 schmal ip Vercrleich zu. ihrer Rippenfläche an der Grundseite des Behälters 18. Die Änderung der Rippen 28 und 30 in ihrer Breite bzw. ihrer Kühlfläche in Abhängigkeit von ihrer Höhe erfolgt in einem linearen Verhältnis, da die schräg geneigte Behälterrückwand 26 in einer geraden Linie verläuft. Die beiden Seitenwände 32, 34 des Behälters 18 sind auch mit äußeren Kühlrippen 36, 38 versehen, die ebenfalls in parallelen Abständen zueinander und in vertikaler Richtung angeordnet sind, so daß sich kaminähnliche Kanäle auf der Außenseite des Behälters 18 ergeben, durch die Luft nach oben strömen kann. Die ebenfalls geschlossene Oberseite 40 des Behälters 18 ist mit einer verschließbaren Öffnung 42 zum Einfüllen für die Siedeflüssigkeit 24 versehen.

Im Betrieb erzeugen die Moduls 12 Wärme, die an der Grenzfläche ohne großen Widerstand in die Siedeflüssigkeit 24 übertragen wird, da diese die Moduls 12 großflächig umaibt, wobei an der Grenzfläche zwischen Moduloberfläche und Siedeflüssigkeit 24 kleine Dampfblasen entstehen, die zur Oberfläche der Siedeflüssigkeit 24 aufsteigen und in den darüber liegenden Damp frauin 22 gelangen. Dieser aus der Siedeflüssigkeit 24 austretende Dampf kondensiert im Dampfraum 22 an den kühleren, großflächigen inneren Kühlrippen 28. Die bei der Kondensation frei gewordene Wärme wird von den inneren Kühl-

PO 971 019 2 09 883/0709

riopen 28 durch die Rückwand 26 und die Seitenwände 32, 34 infolge Wärmeleitung an die luftgekühlten äußeren Kühlrippen 30, 36, 38 abgeleitet. Es wird darauf hingewiesen, daß die zur Kondensation dienende Oberfläche des Dampfraumes 22 durch die inneren Kühlrippen 28 und die Benrenzungswände des Behälters IP relativ sehr groß ist, so daß für die Dampfkondensation eine große Kühlfläche zur Verfüguna steht. Einirre der Daippfbläscben v/erden nicht in den Dampfraum 22 eintreten, da diese bereits unterhalb des Oberflächenspiegels der Siedeflüssigkeit 24 an den Flächen der in der Siedeflüssigkeit 24 befindlichen inneren Kühlrippen kondensieren. Dieser Teil der inneren Kühlrippen 28, der sich unterhalb des Oberflächenspiegels in der Siedeflüssigkeit 24 befindet wirkt mit dieser zusammen als eine Koirbination eines Unterkühler-Kondensators , dessen wirksame Kühlfläche sich infolge der keilförmigen Rippenfläche nach unten hin stetig verkleinert. Sorit ergibt sich, daß in dem unteren Teil des Behälters 18, wo noch wen!«"* gekühlt werden ruß, also bei den unteren Moduls 12, v/o die abzuführende Wärmemenge noch nicht groß ist, die Kühlfläche noch relativ klein sein kann, und daß die Kühlfläche nach oben stetia ansteigt, v/eil sich durch die übereinander anc/eoräneten Moduls 12 auch die abzuführende Wärmemenge erhöht. In dem oberen Bereich des kombiniertes Unterkühler-Kondensators erhöht sich die Wärmeabfuhr noch zusätzlich durch die direkt in den Dampfrauin 22 eintretenden Dampfbläschen. Diese zweckmäßige etwa keilförmige Querschnittsform des Hohlraumes im'Flüssigkeitsbehälter 18 und der inneren Kühlrippen 28 wird durch die einfache schräg geneigte Gestalt der Behälterrückwand 26 erzielt. Diese von unten nach oben schräg nach außen geneigte Rückwand. 26 erbringt den weiteren Vorteil, daß die zwischen den äußeren Kühlrippen 30 nach oben strömende Luft in einen guten Berührungskontakt irit der Rückwand 26 kommt, wobei sich die Wärmeabfuhr verbessert.

Die Fig. 2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht mehrere die Moduls 12 tragenden Schalttafeln 10, welche Wandseiten der Behälter 18 sind, die in einem Abstand übereinander angeordnet sind und

209883/0709

einen Stapel bilden. Schematise!* ist unter diesem Behälterstapel ein Gebläse 44 dargestellt, dessen nach oben gerichteter Luftstrom durch Pfeile angedeutet wird, die dessen Richtung angeben. Die in den einzelnen Behältern 18 aestrichelt gezeichnete und schräg geneigte Linie repräsentiert die Behälterrückwand 26 des vorstehend beschriebenen Behälters 18. Aus der durch die Pfeile angedeuteten Richtung der Fig. 2 ist zu ersehen, daß die nach Oben strömende Kühlluft durch die schräg geneigte Rückwand 26 des Behälters 18 nach außen abgelenkt wird, so daß sich eine Turbulenz in der Luftströmung ergibt. Somit wirkt die schräg nach außen geneigte Rückwand 26 auch als Luftturbulator, der auf folgend kurz beschriebener Wirkungsweise basiert: Da sich wie bereits erläutert wurde und wie aus den Fign. 1 und 2 zu ersehen ist, die Rückwand 26 sich von unten nach oben gleichmäßig schräg nach außen neigt, bildet sich in dem Behälterstapel zwischen zwei benachbarten Behältern 18 eine Zone A, die einen hohen statischen Druck aufweist und eine Zone B mit niederem statischen Druck. Die aufwärts strömende Kühlluft fließt von der Zone A mit hohem Druck zur Zone B mit niedrigem Druck und es ergibt sich somit eine Querströmung, die sich der Aufwärtsströmung überlagert und somit zu einer Turbulenz führt, welche die Kühlwirkung der äußeren Kühl-Rippen 30 verbessert. Aus der Fig. 2 ist zu ersehen, daß die Behälter 18 übereinander in einem kaminfermigen Kanal 46 untergebracht sind, welcher den wesentlichen Zweck hat, die Luftströmung vertikal nach oben zu lenken.

Vorstehend wurde ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung anhand der Fign. 1 und 2 beschrieben_T bei dem die Schalttafeln 10, welche die Moduls 12 tragen, in vertikaler Anordnung mit den Behältern 18 verbunden sind. In der Fig. 3 hingegen ist ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsc-emäßen Küh!einrichtung dargestellt, bei dem die Schalttafel 10 in horizontaler Richtung angeordnet ist, wobei diese auf ihrer Oberseite die zu kühl enden Moduls 12 trägt. Wie die Fig.. 3'zeigt, " ist die Schalttafel Io in"eine als Grundplatte dienende Verteilertafel 48 gesteckt und" somit liegen die Schalttafel 10 und die"

PO 971 O₁₉ 209Β?3/0709.^

darauf befestigten Module 12 in einer horizontalen Ebene, über
der Oberseite der Schalttafel IO findet sich eine niedrige
Schicht der Siedeflüssiakeit 24, deren Höhe so gewählt ist, daß
sie die Moduls 12 vollständig überdeckt, d.h., daß die Moduls
noch in die Siedeflüssigkeit 24 getaucht sind, um den bereits
beschriebenen Siedeeffekt zu erzeugen, über dem Oberflächenspiegel der Siedeflüssigkeit 24 befindet sich wieder ein n-appfraum
52, in dem sich ebenfalls in vertikaler Richtung innere Kühlrippen 50 erstrecken, die wenigstens bis zum OberflÖchenspiegel
der Siedeflüssigkeit 24 reichen und die zueinander einen Abstand aufweisen und parallel verlaufen. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ergibt sich eine relativ größere Kühlfläche im Dampfraum 52 als bei dem erstgenannten Ausführungsbeispiel, so daß hier die Wärmeableitung aus der Siedeflüssigkeit 24 bzw. die'Kühlung durch die Dampfblasenkondensation dominiert. Auch bei diesem zweiten
Ausführungsbeispiel ist der Behälter 18 an seinen Oberflächenseiten mit äußeren Kühlrippen 54, 55,- 56 versehen, die sich von den Wandseiten in den Umgebungsraum nach außen erstrecken. Diese äußeren Kühlrippen 54, 55, 56 stehen senkrecht auf den Wandseiten, so daß sich zwischen diesen Rippen 54_f 55, 56 horizontale Kanäle bilden, die von der Kühlluft durchströmt v/erden.

Diese erfindungsgemäße Kühleinrichtung, welche sich selbst erhaltend ist und sich jeweils in ihrer Kühlleistung durch die Verwendung der Siedeflüssigkeit 24 an die erzeugte Wärmemenge anpaßt
ist ein Hybrid-System, welches alle iie aewünschten Merkmale enthält, die man an ein Flüssigkeitskühlsystem stellt; und letztlich ist diese erfindunasgemäße Kühleinrichtung dennoch ein Kühlluftsystem. Diese erfindungsgemäße Kühleinrichtuna bzw. der Behälter 18 ist so gestaltet, daß er auch als Umgebungsschutz für dip in
ihm befindlichen Module 12 dient. Da der Hohlraum im Behälter 18 allseitig geschlossen und vollständig dicht ist, ergibt sich kein Verlust der im Hohlraum eingefüllten Siedef lüssicrkeit 24 durch
Verdampfung, es kann deshalb eine binäre Siedeflüssigkeit 24 Verwendunc finden. Unter einer binären Flüssigkeit ist eine Mischung

po 971 019 2 0 98 83/0709

von zv/ei dielektrischen Flüssigkeiten zu verstehen, welche verschiedene Eigenschaften und a.uch unterschiedliche Siedepunkte aufweisen. Es kann somit in der Kühleinrichtung eine binäre Siedeflüssigkeit 24 verwendet werden, welche die besten Eigenschaften zur Wärmeableitung aufweist und deren Wärmeübertragungseigenschaften an die in den Moduls 12 erzeugte Wärmemenge so angepaßt ist, daß sich die beste und wirtwchaftlichste Kühlung ergibt. Einer binären Siedeflüssigkeit 24 kann man" auch die Eigenschaft geben, daß sie im Hohlraum des Behälters 18 einen möglichst geringen Dampfdruck erzeugt. Binäre Siedeflüssigkeiten 24 sind vorteilhaft nur in geschlossenen Hohlräumen verwendbar, wie beispielsweise bei dieser erfindungsgemäßen Kühleinrichtung. In nicht geschlossenen Systemen ergibt sich, daß flüssige Bestandteile dieser Flüssigkeit verdampfen und daß sie Luftpartikel aufnimmt, so daß durch diesen entstehenden Verlust und durch die Verunreinigungen sich die ursprüngliche Eigenschaft der Siedeflüssigkeit im Laufe der Zeit nachteilig ändert.

Der geschlossene, den Hohlraum enthaltende Behälter 18 dieser erfindungsgemäßen Kühleinrichtung mit den inneren und äußeren Kühlrippen braucht keine großen Abmessungen aufzuweisen und er ist bereits durch die Anordnung der Pappen sehr stabil und ist außerdem noch handlich, so daß es bequem auf den vorgesehenen Platz in einer Schaltungsanordnung gesteckt werden kann. Es wird betont, daß der Behälter 18 in einer Ausführung nach Fig. 1, welche die geneigte Rückwand 26 enthält, eine Kühleinrichtung ermöglicht, die einen Behälter 18 minimaler Größe aufweist und die außerdem nur eine minimale ftenge Siedeflüssigkeit 24 erfordert und die dennoch sehr wirksam ist.

PO 971019 . 209883/0709

Claims

- 14 -

LA...?. 1 il.?.A?.s ?.. ^R..ü „^{c π} Ρ

Kühleinrichtung für wärneerzeugende Objekte, insbesondere für auf einer Schalttafel befestigte elektronische Moduls _r die in eineir Hohlraum eines Behälters anneordnet und von einer Siedeflüssigkeit umgeben sind, welche in Äbhäncir— keit von der erzeuaten und abzuführenden Wärme aufsteigende Dampfbläschen bildet, die an einem die Wärme abführenden Wärmetauscher kondensieren,- dadurch oekennzeichnet, daß der luft- und flüssigkeitsdicht aeschlossene Hohlraum des Behälters (18) soweit mit Siedeflüssigkeit (24) gefüllt ist, daß die zu kühlenden Objekte (12) in diese vollständig eintauchen, daß sich über der Oberfläche der Siedeflüssigkeit (24) ein Dampfraum (22), der dem restlichen Hohlraum entspricht, befindet- daß dieser wenigstens von einer Behälterwand zur Oberfläche der Siedeflüssigkeit (24) sich erstreckende zur Kondensation der Dampfbläschen dienende innere Kühlrippen (28) enthält, und daß der Behälter (18) an wenigstens einer Außenseite mit nach außen sich erstreckenden, zur Wärmeableitung an die vorbeiströmende Luft dienenden äußeren Kühlrippen (30, 36, 38, 54, 55) versehen ist.

2. Kühleinrichtuncf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrechte Vorderwand des Behälters (18) in ihrem unteren Bereich aus einer Schalttafel (10) und in ihrem oberen Bereich aus einer Abdeckplatte (20) gebildet wird, daß auf der zum Hohlraum zeigenden Seite der Schalttafel (10) die wärmeerzeugenden und zu kühlenden Moduls (12) spaltenweise mit Abstand übereinander befestigt sind und daß die Schalttafel (10) mit nach außen ragenden frei zugänglichen elektrischen Anschlußstiften versehen ist.

3. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Hohlraum begrenzende Rückwand

2 0 9 8 8 3^0709

PO 9 71 019

(26) des Behälters (1δ) eine geradlinige schräge Neigung aufweist, so daß sich ein keilförmiger nach oben erweiternder Hohlraum ergibt.

4. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Kühlrippen (28) ebenfalls eine keilförmige Kühlfläche aufweisen und parallel zueinander in vertikaler Richtung sich bis zur schmalen Grundfläche des Hohlraumes und bis in die Nähe der Vorderwand erstrecken und daß die inneren Kühlrippen (28) mit der Rückwand (26) mechanisch gut wärmeleitend verbunden sind.

5. Kühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Kühlfläche aer inneren Kühlrippen (28) im Dampfraum (22) größer ist als die in der Siedeflüssigkeit (24) befindliche Fläche.

6. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 _s 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die schräg geneigte Rückwand (2G) --'es Behälters (IP) an ihrer Außenseite irit parallelen in vertikaler Richtung sich erstreckenden äußeren Kühlrippen (3O) versahen ist, daß diese Kühlrippen (30) eine keilförnige Fühlfleche aufweisen, die sich zur Unterseite des Behälters (IS) erweitert_r und daß die parallelen Seitenwände (32, 34) des Behälters (IP) an ihrer Außenseite mit vertikale Kanäle bildenden Kühlrippen (36< 38) versehen sind. ·

7. Kühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, daäuf-ch gekennzeichnet, daß der geschlossene Behälter (18)

■:■" an seine Oberseite (40) eine verschließbare 'Einfüllöffnung (42) für die Siedeflüssigkeit (24) aufweist.

f?. ^?-'. Kühleinrichtung^:-nach eineir der vorstehenden Ansprüche,

20S883/0709 BAD ORIGINAL

dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Behälter (18) übereinander in einem vertikalen Abstand zueinander in einem kaminförmigen Kanal (46) angeordnet sind, der von unten nach oben von Kühlluft durchströmt wird.

9. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeerzeugenden und kühlenden Objekte (12) auf einer horizontalen, als Bodenplatte des Behälters (18) dienenden Verteilerplatte (46) befestigt sind, und daß im Dampfraum (52) die inneren Kühlrippen in vertikaler Richtung sich erstrecken und daß diese bis zur Oberfläche der Siedeflüssigkeitsschicht (24) reichen.

10. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siedeflüssigkeit (24) inert und dielektrisch ist und eine Siedetemperatur aufweist, die der zulässigen Temperatur des zu kühlenden Objektes (12) angepaßt ist.

11. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenstoff-Fluoride als Siedeflüssigkeit (24) dienen.

12. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine binäre, einen niederen Dampfdruck erzeugende Siedeflüssigkeit (24) zur Wärmeübertragung vorgesehen ist.

209803/0709