• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:

    公开号:WO1980000511A1
    申请号:PCT/CH1979/000078
    申请日:1979-05-25
    公开日:1980-03-20
    发明作者:E Klein
    申请人:Bbc Brown Boveri & Cie；E Klein；
    IPC主号:H01L23-00
    专利说明:
    [0001] Kühleinrichtung für verlustwärmeerzeugende elektrische und/oder elektronische Bauelemente und Verfahren zum Betrieb derselben
    [0002] Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung für verlustwärmeerzeugende elektrische und/oder elektronische Bauelemente, insbesondere für Leistungs-Halbleiterbauele mente, mit einem Kühlmittel-Kreislauf, in dem ein zwangs belüfteter Wärmetauscher für die Rückkühlung des Kühlmittels liegt.
    [0003] Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Betrieb der vorbeschriebenen Kühleinrichtung.
    [0004] Bei einer bekannten Kühleinrichtung der eingangs genannten Gattung dienen bei direkter Flüssigkeitskühlung der Halbleiterbauelemente Wasser oder Oel als Kühlmittel (Siemens- Zeitschrift 44 (1970), H. 1, Seiten 39 bis 43).
    [0005] Dabei kann die erwärmte Kühlflüssigkeit mittels eines zwangsbelüfteten Wärmetauschers oder mittels eines zweiten Flüssigkeitskreislaufes rückgekühlt werden. Die Wasserkühlung ist effektiver als die Oelkühlung; jedoch hat selbst chemisch reines Wasser das Bestreben, aus seiner Umgebung Ionen in Lösung zu bringen, so dass ein Ionenaustauscher notwendig ist, um ein gewisses Isoliervermögen des Wassers aufrecht zu erhalten. Weiterhin friert Wasser unter 273 K ein. Isolierendes Transformatorenöl begünstigt im Fall von Leckagen Staubablagerungen und kann so zur Beeinträchtigung der elektrischen Spannungsfestigkeit führen. Diese Gefahr besteht auch bei Verwendung von Silikonöl.
    [0006] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühleinrichtung der eingangs genannten Gattung derart zu verbessern, dass inert ähnliche Flüssigkeiten, z.B. Derivate des Methans oder des Aethans in geeigneten Verbindungen, als Kühlmittel eingesetzt werden können, ohne dass eine Vergrösserung des Wärmetauschers notwendig wird.
    [0007] Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass erfindungsgemäss der Kühlmittel-Kreislauf durch einen Verdampfer einer Kältekreislaufanläge führt. Vorteilhaft kann somit ein Teil der Wärme wie üblich über den zwangsbelüfteten Wärmetauscher abgeführt, der andere Teil über die Kälteanlage.
    [0008] Vorzugsweise ist der Verflüssiger der Kältekreislaufanläge in den zwangsbelüfteten Wärmetauscher des Kühlmittel-Kreislaufes eingebaut, womit eine weitere Entlastung oder eine geringere Dimensionierung des Wärmetauschers möglich ist.
    [0009] Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb der Kühleinrichtung anzugeben, mit dem die Kühlung besonders wirtschaftlich gestaltet werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass zwecks kombinierter Konvektions- und Siedekühlung ein Kühlmittel verwendet wird, dessen Siedepunkt etwas unterhalb der Wandtemperatur des zu kühlenden Bauelementes liegt und dass erst oberhalb einer vorbestimmten Umgebungstemperatur ein Teil der Verlustwärme dem Verdampfer der Kälteanlage zugeführt wird.
    [0010] Bei der eingangs beschriebenen bekannten Flüssigkeitskühlung erfolgt die Wärmeableitung vornehmlich durch Konvektion. Bei der erfindungsgemässen Auswahl eines Kühlmittels, dessen Siedepunkt etwas unterhalb der Wandtemperatur des zu kühlenden Bauelementes liegt, tritt neben der Konvektion in Teilbereichen auch noch Wärmeabfuhr durch Sieden ein, so dass ein höherer Wirkungsgrad erreicht wird.
    [0011] Als Kühlmittel wird zweckmässig C2F3Cl3 gewählt. Unter Zu grundelegung der Temperaturverhältnisse, die z.B. in der für die Flüssigkeitskühlung von Leistungs-Halbleiterbauelementen verwendbaren Kühldosen gemäss der DE-OS 26 40 000 herrschen, wäre an sich ein Kühlmittel mit einem Siedepunkt zwischen 328 und 333 K wünschenswert. Die Verbindung C2F3Cl3
    [0012] (Typ 113) mit einem Siedepunkt von 320,6 K stellt die derzeit beste Annäherung an diesen Temperaturbereich dar. Allerdings ist wegen des relativ niedrigen Siedepunktes dieser Verbindung der Temperaturgradient zum Rückkühlen (Verflüssigen) des Kühlmittels sehr klein. Er beträgt z.B. bei einer Umgebungstemperatur von 313 K nur 7,6 K, so dass an sich ein sehr umfangreicher Wärmeaustauscher notwendig wäre. Andererseits sind bei der Kühlung von Stromrichterschaltungen oft erhebliche Verlustleistungen bis zu einigen 100 KW abzu führen. Eine Kälteanlage, über die die Gesamtleistung umgesetzt werden müsste, würde zu voluminös werden und hätte einen zu schlechten Wirkungsgrad. Die Aufteilung der Verlustleistung auf die zwangsbelüfteten Wärmetauscher und die Kälteanlage stellt daher eine optimale Lösung dar.
    [0013] Damit ist es möglich, den Wärmetauscher in einer Grosse zu bauen, die rein konvektionell arbeitenden Wärmetauschern entspricht. Ausserdem ist man in der Lage, je nach Leistung der Kälteanlage, das Kühlmittel sogar unter die Temperatur der ümgebungsluft zu bringen, womit man die verlustwärmeerzeugenden Bauelemente effektiver kühlen kann.
    [0014] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
    [0015] Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Kühlung eines Stromrichters 1. Der Kühlmittel-Kreislauf umfasst, in Strömungsrichtung betrachtet, eine Leitung 2, einen Wärmetauscher 3, dem ein Ventilator 4 zugeordnet ist, eine Leitung 5, einen Verdampfer 6, eine Leitung 7, eine Pumpe 8 und eine z.B. zu den Kühldosen der Halbleiterbauelemente des Stromrichters 1 zurückführende Leitung 9.
    [0016] Der Verdampfer 6 ist Teil einer Kältekreislaufanläge, die, vom Verdampfer 6 aus in Strömungsrichtung betrachtet, enthält: Einen Kompressor 10, einen Verflüssiger 11, einen Sammler 12 und ein Expansionsventil 13.
    [0017] Die Kühleinrichtung hat folgende Wirkungsweise:
    [0018] An den wärmeabgebenden Flächen z.B. von Kühldösen der Leistungs-Halbleiterbauelemente des Stromrichters 1 verdampft das Kühlmittel teilweise. Das teils gasförmige, teils flüssige Kühlmittel wird über die Leitung 2 zum Wärmetauscher 3 geführt, wo ein grosser Teil der Wärme durch mittels des Lüfters 4 bewirkte Konvektion an die Umgebung abgeführt wird, jedoch noch keine vollständige Verflüssigung des Kühlmittels eintritt. Diese erfolgt erst dann, wenn das Kühlmittel über die Leitung 5 den Verdampfer 6 der Kälteanlage durchströmt. Dabei kann die Temperatur des Kühlmittels mehr oder weniger unter ihrem Siedepunkt liegen. Ueber die Leitung 7, die Pumpe 8 und die Leitung 9 wird dann das Kühlmittel wieder zur Wärmeaufnahme zum Stromrichter 1 zurückbefördert. Die Kälteanlage besteht aus üblichen Teilen und arbeitet in bekannter Weise. Zweckmässig ist der Verflüssiger 11 in den Wärmetauscher 3 des Kühlmittel-Kreislaufes eingebaut, weil er mit höheren Temperaturen arbeiten kann. Damit wird zwar praktisch keine Lüfterleistung eingespart - nur Wirkungsgradanteile -, jedoch wird erheblich an Volumen dieser Teile und der für diese not-wendigen Kosten gespart.
    [0019] Vorteilhaft kann im Kühlmittel-Kreislauf mit relativ niedrigen Drücken gearbeitet werden, die hauptsächlich durch Strömungsverluste entstehen, weil der Gasdruck des bevorzugt gewählten Kühlmittels C2F3Cl1 (Frigen Typ 113) sich bei den genannten Temperaturen um weniger als 1 bar erhöht.
    [0020] Der Einsatz von Kältemitteln, vornehmlich des Typs Frigen 113, für die Kühlung von elektronischen Komponenten ist an sich bekannt (Wiss. Ber. AEG-Telefunken 51 (1978) 1, S. 30 - 39; Bull. ASE/UCS 68 (17.12.1977) 24, S. 1314 - 1317). Aus dieser Literatur geht hervor, dass wegen des geringen Temperaturgradienten zwischen Umluft und Siedepunkt des Kältemittels mit einem Kältemittel-Wasserkreislauf gearbeitet wird. Die weitere Version, dass dann die Rückkühlung des Wassers mit Umluft geschehen kann, ist nur dann relevant, wenn die Umgebungstemperaturen niedrig genug liegen. Verständlich ist diese Ausführung allerdings nicht; denn wenn solche niedrigen Temperaturen vorliegen, kann man auch direkt das Kältemittel mit der Umluft zurückkühlen und so mit besserem Wirkungsgrad arbeiten.
    [0021] Die erfindungsgemässe Kombination von Wärmetauscher 3 und in Reihe geschaltetem Verdampfer 6 arbeitet bei geringem Aufwand überraschend wirkungsvoll.
    [0022] Die Kühleinrichtung erlaubt es auch, die Gesamtverlustleistung über den Wärmetauscher abzuführen, so dass erst oberhalb einer vorbestimmten Umgebungstemperatur ein Teil der Verlustwärme dem Verdampfer der Kälteanlage zugeführt bzw. von diesem abgeführt wird. Man kann den Wärmetauscher 3 auf die mittlere Jahrestemperatur hin dimensionieren, falls sich bei derselben ein ausreichender Temperaturgradient für das Abführen der Gesamtverlustleistung ergibt. Solange die vorbestimmte, über der mittleren Jahrestemperatur liegende Umgebungstemperatur nicht überschritten wird, kann also die Kälteanlage abgeschaltet werden, so dass in der grössten Zeit des Jahres mit einem besseren Wirkungsgrad rückgekühlt werden kann.
    [0023] Die Kälteanlage kann einerseits bei sehr heissen Raumtemperaturen neben der Kühlung des Stromrichters 1 zur Kühlung der Steuerelektronik herangezogen werden, andererseits kann sie auch zur Klimatisierung von Aufenthaltsräumen für Personen dienen.
    [0024] Schliesslich erlaubt die Kühleinrichtung nicht nur die gemäss dem bevorzugten Verfahren mögliche Verwendung eines Kühlmittels, dessen Siedepunkt etwas unterhalb der Wandtemperatur des zu kühlenden Bauelementes liegt, sondern auch die Verwendung eines höher siedenden Kühlmittels, bei dem dann bei allen vorkommenden Umgebungstemperaturen das Prinzip der Aufteilung der Verlustleistung auf den Wärmetauscher 3 und den Verdampfer 6 zur Anwendung kommt.
    权利要求:
    ClaimsP a t e n t a n s p r ü c h e
    1. Kühleinrichtung für verlustwärmeerzeugende elektrische und/oder elektronische Bauelemente, insbesondere für Leistungs-Halbleiterbauelemente, mit einem Kühlmittel- Kreislauf, in dem ein zwangsbelüfteter Wärmetauscher (3) für die Rückkühlung des Kühlmittels liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittel-Kreislauf durch einen Verdampfer (6) einer Kältekreislaufanläge führt.
    2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verflüssiger (11) der Kultekreislaufanläge in den zwangsbelüfteten Wärmetauscher (3) des Kühlmittel- Kreislaufes eingebaut ist.
    3. Verfahren zum Betrieb der Kühleinrichtung nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks kombinierter Konvek tions- und Siedekühlung ein Kühlmittel verwendet wird, dessen Siedepunkt etwas unterhalb der Wandtemperatur des zu kühlenden Bauelementes liegt und dass erst oberhalb einer vorbestimmten Umgebungstemperatur ein Teil der Verlustwärme dem Verdampfer (6) der Kälteanlage zugeführ wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel Trifluortrichloräthan (C2F3Cl3) gewählt wird.
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
    US9992914B2|2018-06-05|Commmonly submersed servers with velocity augmentation and partial recirculation in tank
    US6166907A|2000-12-26|CPU cooling system
    US7499278B2|2009-03-03|Method and apparatus for dissipating heat from an electronic device
    JP5644767B2|2014-12-24|電子機器装置の熱輸送構造
    US10356949B2|2019-07-16|Server rack heat sink system with combination of liquid cooling device and auxiliary heat sink device
    EP1308073B1|2012-01-18|Kühlsystem für ein elektrisches gehäuse
    US5471850A|1995-12-05|Refrigeration system and method for very large scale integrated circuits
    US6796372B2|2004-09-28|Single or dual buss thermal transfer system
    US6760221B2|2004-07-06|Evaporator with air cooling backup
    CN100465552C|2009-03-04|用于空气冷却冷却器的电子部件冷却系统
    ES2751455T3|2020-03-31|Sistema de refrigeración para dispositivos electrónicos de alimentación y sistema de generación de energía distribuida
    US6845622B2|2005-01-25|Phase-change refrigeration apparatus with thermoelectric cooling element and methods
    RU2121636C1|1998-11-10|Система охлаждения воздуха
    US7509995B2|2009-03-31|Heat dissipation element for cooling electronic devices
    DE60125085T2|2007-07-05|Einzupumpendes Flüssigkeitskühlsystem mit Phasenumwandlungskühlung
    US8262263B2|2012-09-11|High reliability cooling system for LED lamps using dual mode heat transfer loops
    US10634368B2|2020-04-28|Control box, and outdoor unit of air conditioner comprising same
    US20120192574A1|2012-08-02|Heat Pipes And Thermoelectric Cooling Devices
    EP1703583A2|2006-09-20|Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen mit einem Kühlmittel mit einem Druck unterhalb des Umgebungsdrucks
    DE602006000243T2|2008-10-02|Flussigskeitsgekühlter Thermosiphon für elektronische Bauelemente
    US6560968B2|2003-05-13|Thermoelectric cooler
    US5940270A|1999-08-17|Two-phase constant-pressure closed-loop water cooling system for a heat producing device
    CN103081581B|2015-08-26|用于冷却电子装置的系统
    US5737923A|1998-04-14|Thermoelectric device with evaporating/condensing heat exchanger
    US20090293504A1|2009-12-03|Refrigeration installation having a warm and a cold connection element and having a heat pipe which is connected to the connection elements
    同族专利:
    公开号 | 公开日
    EP0015997B1|1984-03-07|
    US4350026A|1982-09-21|
    DE2837353C2|1986-01-02|
    DE2837353A1|1980-03-06|
    EP0015997A1|1980-10-01|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1980-03-20| AK| Designated states|Designated state(s): US |
    1980-03-20| AL| Designated countries for regional patents|Designated state(s): AT CH FR GB SE |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    [返回顶部]