DE2337573B2

DE2337573B2 - EVAPORATIVE COOLING DEVICE FOR HEAT-GENERATING COMPONENTS

Info

Publication number: DE2337573B2
Application number: DE19732337573
Authority: DE
Inventors: William M. Jacobus Pa. Grandia (V.StA.)
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1972-09-18
Filing date: 1973-07-24
Publication date: 1976-05-13
Also published as: ZA734475B; AU5848073A; FR2200488B1; AU473754B2; CA990088A; JPS4970137A; FR2200488A1; US3818983A; GB1401724A; DE2337573A1; IT1006068B

Description

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Die Erfindung betrifft Verdampfungskühlvorrichtungen für wärmeerzeugende Bauelemente mit zylindrischen Kühlkammern zur Aufnahme der Bauelemente und des Verdampfungskühlmittels, mit flüssigkeitsgekühlten ersten Rückkühlern für das Verdampfungskühlmittel, die mit dem Oberteil der Kühlkammern in Verbindung stehen und eine Wärmetauschrohrschlange aufweisen, durch deren Wandung die abzuführende Wärme an eine durchströmende Flüssigkeit abgegeben werden kann, sowie mit Künlmitteldampf führenden, hinter die ersten Rückkühler geschalteten Kopfstücken, die über umgebungsluftgekühlte zweite Rückkühler zu Kondensatsammeistücken führen, wobei die Kondensatsammeistücke und die Kühlkammern durch Rück- ^ rohrleitungen für Kondensat verbunden sind, so daß in den Külkammern erzeugter Kühlmitteldampf statt in den ersten Rückkühlern wahlweise auch in den luftgekühlten zweiten Rückkühlern kondensiert werden kann. ^6s The invention relates to evaporative cooling devices for heat-generating components with cylindrical cooling chambers to accommodate the components and the evaporative coolant, with liquid-cooled first dry coolers for the evaporative coolant, which are connected to the upper part of the cooling chambers and have a heat exchanger coil, through whose wall the heat to be dissipated to a flowing liquid can be released, as well as head pieces leading to coolant vapor behind the first dry cooler, which lead to condensate collector pieces via ambient air-cooled second dry coolers, the condensate collector pieces and the cooling chambers being connected by return pipes for condensate, so that coolant vapor generated in the cooling chambers instead of in the first dry coolers can optionally also be condensed in the air-cooled second dry coolers. ^6s

Derartige Verdampfungskühlvorrichtungen für Senderöhren sind in der GB-PS 7 06 209, insbesondere Fig. 24 und zugehöriger Text, beschrieben. Dort ist zwar schon ausgeführt, daß auch Kühlkammern mehre rer Senderöhren aus einem gemeinsamen Vorratstank für flüssiges Verdampfungskühlmittel (dort Wasser) versorgt werden können. Es finden sich jedoch keine Angaben darüber, wie viele erste Rückkühler und zweite Rückkühler samt deren Kopfstücken in Verbindung mit einer solchen Mehrzahl von Kühlkammern vorgesehen sind. Bei der bekannten Anordnung kondensiert auch .der Dampf im ersten Rückkühler innerhalb der wendelförmig ausgebildeten Wärmetauschrohrschlange, die in einen Wassertank eintaucht, aus dem dann warmes Nutzwasser abgezogen werden kann. Durch diese Kondensation des von der Senderöhre verdampften Verdampfungskühlmittels innerhalb der Rohrschlange wird die Wärmetauschfähigkeit des ersten Rückkühlers gemindert, da durch den Kondensatrückfluß die effektive Wärmetauschfläche verkleinert wird. In der GB-PS 7 06 209 finden sich im übrigen keinerlei Angaben über die geometrische Zuordnung zwischen dem luftgekühlten zweiten Rückkühler und den Kühlkammern. Ferner zeigt die dortige Figur 24 einen offenen Verdampfungskühlmittelkreislauf, der die Verwendung leicht flüchtiger und giftiger Verdampfungskühlmittel ausschließt und im wesentlichen nur für Wasser als Verdampfungskühlmittel in Frage kommt Wasser hat jedoch bei Kühlvorrichtungen der betrachteten Gattung den Nachteil, daß es elektrisch leitfähig ist und daher nicht in direkte Berührung mit spannungsführenden wärmeerzeugenden Bauelementen, z. B. siliziumgesteuerten Gleichrichtern oder Dioden, gebracht werden kann. Schließlich ist nach der GB-PS 7 06 209 der Betrieb des zweiten Rückkühlers nur dann vorgesehen, wenn die Kühllast von Wärmeverbrauchern nicht abgenommen werden kann, die an die den ersten Rückkühler durchströmende Flüssigkeit angeschlossen sind.Such evaporative cooling devices for transmitter tubes are in GB-PS 7 06 209, in particular Fig. 24 and associated text. It has already been stated there that there are also several cooling chambers rer transmission tubes from a common storage tank for liquid evaporative coolant (there water) can be supplied. However, there is no information on how many first drycoolers and second Dry coolers together with their head pieces are provided in connection with such a plurality of cooling chambers are. In the known arrangement, the steam also condenses in the first recooler within the helically formed heat exchange pipe coil, which is immersed in a water tank, from which then hot water can be drawn off. This condensation of the evaporated from the transmitter tube Evaporative coolant within the coil becomes the heat exchange capacity of the first Recooler is reduced, as the effective heat exchange area is reduced by the condensate return flow. In addition, GB-PS 7 06 209 does not contain any information about the geometric assignment between the air-cooled second dry cooler and the cooling chambers. Furthermore, FIG. 24 there shows an open one Evaporative coolant circuit that uses highly volatile and poisonous evaporative coolants excludes water and is essentially only suitable for water as an evaporative coolant however, has the disadvantage of cooling devices of the type under consideration that it is electrically conductive and therefore not in direct contact with live heat-generating components such. B. silicon controlled Rectifiers or diodes. After all, according to GB-PS 7 06 209, the Operation of the second dry cooler is only planned if the cooling load has not been reduced by heat consumers which are connected to the liquid flowing through the first recooler.

In der US-PS 32 70 250 ist zwar schon eine Verdampfungskühlvorrichtung für wärmeerzeugende Bauelemente beschrieben, bei der die letzteren in ein flüssiges Halogenkohlenwasserstoff-Kältemittel eintauchen und bei der ein oberer in direkter Verbindung mit dem Flüssigkeitsbad stehender Abschnitt des Gehäuses der Verdampungskühlvorrichtung als luftgekühlter Rückkühler ausgebildet ist Andererseits ist dort eine Kühlvorrichtung für Bauelemente beschrieben, bei der die Bauelemente ebenfalls in ein flüssiges Halogenkohlenwasserstoff-Kältemittel eintauchen, wobei jedoch eine flüssigkeitsdurchströmte Kühlschlange sowohl den oberhalb der Flüssigkeit gelegenen Dampfraum als auch das Flüssigkeitsbad selbst durchsetzt. Die in der US-PS 32 70 250 beschriebenen Kühlvorrichtungen sind daher entweder luftgekühlt oder flüssigkeitsgekühlt. Ein Umschalten von einer Kühlart auf die andere ist nicht möglich.In US-PS 32 70 250 is already an evaporative cooling device for heat-generating components described in which the latter in a liquid Immerse halogenated hydrocarbon refrigerant and in the case of an upper in direct communication with the Liquid bath section of the housing of the evaporation cooling device as an air-cooled recooler On the other hand, a cooling device for components is described there, in which the Also immerse components in a liquid halocarbon refrigerant, but with a cooling coil through which liquid flows, both the vapor space above the liquid and also permeates the liquid bath itself. The cooling devices described in US-PS 32 70 250 are therefore either air-cooled or liquid-cooled. Switching from one type of cooling to the other can not.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist daher, unter Vermeidung der angeführten Nachteile des dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde gelegten Standes der Technik eine Lösung zu finden, die eine besonders kompakte Bauweise ermöglicht und durch Vermeidung von größeren Druckverlusten im Weg des Kühlmitteldampfes auch für den zweiten Rückfühler ein großes wirksames Temperaturgefälle Hefen, so daß dieser mit gutem Wirkungsgrad arbeitet.The object on which the invention is based is therefore to avoid the stated disadvantages of the the preamble of claim 1 underlying prior art to find a solution that a allows particularly compact design and by avoiding major pressure losses in the way of the Coolant vapor also yeasts a large effective temperature gradient for the second feedback sensor, so that this works with good efficiency.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß ausgehend vonAccording to the invention, this object is based on

dem eingangs beschriebenen Stand der Technik durch die Verbindung folgender Merkmale gelöst:solved the prior art described above by combining the following features:

a) Für eine Kühlvorrichtung ist ein erster Rückkühler vorgesehen, der quer über einer Mehrzahl von Kühlkammern verläuft und dessen den Kühlmittel-a) For a cooling device, a first recooler is provided, which extends across a plurality of Cooling chambers and whose coolant

dampf führender Mantel mit den Oberteilen der Kühlkammern über Öffnungen unmittelbar verbunden ist;Steam-carrying jacket is directly connected to the upper parts of the cooling chambers via openings is;

b) an den Manteiraum des ersten Rückkühlers schließt ein dampfführendes Kopfstück an, und die Verbindung zu dem Kondensatsammeistück erfolgt über die Hauptlänge der Kühlkammern durch eine Vielzahl von Wärmetauschkanälen, die den umgebungsluftgekühlten zweiten Rückkühler bilden; !0b) a steam-carrying headpiece connects to the jacket space of the first dry cooler, and the The connection to the condensate collection piece takes place over the main length of the cooling chambers a plurality of heat exchange ducts that form the ambient air-cooled second drycooler; ! 0

c) als Verdampfungskühlmittel sind Halogenkohlenwasserstoff-Kältemittel vorgesehen;c) as evaporation coolants are halogenated hydrocarbon refrigerants intended;

d) der erste Rückkühler soll außer Betrieb gesetzt werden, wenn die Umgebungsluft kalt genug ist, um im zweiten Rückkühler den Kühlmitteldampf zu kondensieren.d) the first dry cooler should be put out of operation when the ambient air is cold enough, to condense the coolant vapor in the second dry cooler.

Bei der erfindungsgemäßen Verdampfkühlvorrichlung kann somit von dem flüssigkeitsgekühken ersten Rückkühler kondensiertes Kühlmittel unmittelbar wieder in die Kühlkammer zurückfallen, und zugleich kann verdampftes Kühlmittel den ersten Rückkühler frei durchqueren, wenn dieser nicht arbeitet. Durch die Anordnung des kühlmitteldampfführenden Kopfstückes, der Wärmetauschkanäle und des kondensatsammelnden Kopfstückes wird bei durch die Form der zylindrisehen Kühlkammern im wesentlichen vorgegebenem Raumbedarf für die Kühlvorrichtung ein guter Wärmeaustausch zur Umgebungsluft hin erhalten, und zugleich wird das zum Abführen von Kondensat erforderliche Gefälle der Wärmetauschkanäle erhalten.In the case of the evaporative cooling device according to the invention, the liquid-cooled first Dry cooler, condensed coolant can immediately fall back into the cooling chamber, and at the same time can evaporated coolant can freely pass through the first recooler when it is not working. By the arrangement the head piece carrying coolant vapor, the heat exchange channels and the condensate collecting The head piece is essentially predetermined by the shape of the cylindrical cooling chambers Required space for the cooling device to get a good heat exchange to the ambient air, and at the same time the necessary gradient of the heat exchange ducts to remove condensate is obtained.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigtIn the following the invention is based on an exemplary embodiment and explained in more detail with reference to the drawing. In this shows

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Verdampfungskühlvorrichtung,F i g. 1 is a perspective view of an evaporative cooling device according to the invention,

F i g. 2 einen transversalen Schnitt durch die Verdampfungskühlvorrichtung von F i g. 1 längs der Linie 2-2,F i g. 2 shows a transverse section through the evaporative cooling device from F i g. 1 along line 2-2,

F i g. 3 einen Längsschnitt durch die Verdampfungskühlvorrichtung längs der Linie 3-3 von F i g. 2. F i g. 3 shows a longitudinal section through the evaporative cooling device along the line 3-3 of FIG. 2.

Eine in den Figuren dargestellte Verdampfungskühlvorrichtung weist 4 nebeneinander angeordnete zylindrische Kühlkammern 12 auf, in denen wärmeerzeugende Bauelemente 16 angeordnet sind. Die Kühlkammern sind durch Gehäuse gebildet, die jeweiis durch ein zylindrisches Gehäuseteil und einen vorderen Deckel 18 sowie einen hinteren Deckel 20 gebildet sind. Der vordere Deckel 18 ist durch Befestigungselemente 22 am zylindrischen Gehäuseteil angebracht. Elektrische Stromzuführungsanschlüsse 24 sind durch den vorderen Deckel 18 hindurchgefühn und stellen eine Verbindung zwischen einer nicht dargestellten elektrischen Energiequelle sowie nicht dargestellten logischen Schaltungen zu den Bauelementen 16 her. Ein erster Rückkühler 30 ist quer über den zylindrischen Gehäuseteilen der Kühlkammern 12 angeordnet und steht über Öffnungen 36 in direkter Sirömungsmittelverbindung mit den Kühlkammern. Der erste Rückkühler 30 hat einen Mantel 32 und ein darin angeordnetes Wärmetauschrohr 34, durch das ein Kühlmittel, z. B. Wasser, geleitet wird. Ein Verdampfungskühlmitteldampf sammelndes Kopfstück 38 ist über Leitungen 37 mit dem ersten Rückkühler 30 verbunden. Das Kopfstück 38 ist über eine Vielzahl von Wärmetauschkanälen 40 mit einem Koiidensatsammelstück 42 über die Länge der Anordnung hinweg verbunden. Jeder der Wärmetauschkanäle 40 weist eine verrippte Kühlfläche 44 auf, über die Wärme von dem durch den Wärmetauschkanal strömenden KühJmitteldampf an die Umgebungsluft abgegeben wird Das Kondensatsammeistück 42 ist über eine Leitung 46 mit einer Rückführleitung 48 für Kondensat verbunden, die mit allen Kühlkammern in Verbindung steht.An evaporative cooling device shown in the figures has 4 cylindrical ones arranged next to one another Cooling chambers 12 in which heat-generating components 16 are arranged. The cooling chambers are formed by housings, each by a cylindrical housing part and a front cover 18 and a rear cover 20 are formed. The front cover 18 is secured by fasteners 22 attached to the cylindrical housing part. Electrical power supply connections 24 are through the front Cover 18 guided through and make a connection between an electrical energy source (not shown) and logic circuits (not shown) to the components 16. A first recooler 30 is across the cylindrical housing parts of the Cooling chambers 12 arranged and is via openings 36 in direct fluid communication with the Cooling chambers. The first recooler 30 has a jacket 32 and a heat exchange tube arranged therein 34 through which a coolant, e.g. B. water is passed. An evaporative refrigerant vapor collecting The head piece 38 is connected to the first recooler 30 via lines 37. The head piece 38 is over a plurality of heat exchange ducts 40 with a coidensate collector 42 along the length of the assembly connected away. Each of the heat exchange channels 40 has a ribbed cooling surface 44 over which Heat is given off to the ambient air by the coolant vapor flowing through the heat exchange duct The condensate collection piece 42 is via a line 46 with a return line 48 for condensate connected, which is in communication with all cooling chambers.

Die wärmeei zeugenden Bauelemente 16 tauchen in ein Bad 50 flüssigen Verdampfungskühlmittels ein. Als Verdampfungskühlmittel können die HalogenkohJenwasserstoff-Kältemittel R12, R22, Rl 14 usw. verwendet werden, die keine Korrosion der Bauelemente 16 hervorrufen und hohe Durchschlagsfestigkeit aufweisen.The heat-generating components 16 are immersed in a bath 50 of liquid evaporative coolant. as Evaporative refrigerants, the halogenated hydrogen refrigerants R12, R22, R14 etc. can be used which do not cause any corrosion of the components 16 and have high dielectric strength.

Die erfindungsgemäße Verdampfungskühlvorrichtung arbeitet wie folgt:The evaporative cooling device according to the invention works as follows:

Bei normalem Betrieb wird durch das Wärmetauschrohr 34 des ersten Rückkühlers 30 dauernd ein Flüssigkeitsstrom hindurchgeschickt. Die Bauelemente 16 setzen im Betrieb große Wärmemengen frei, die über Wärmesenken an das flüssige Verdampfungskühlmittel weitergegeben werden. Das Verdampfungskühlmittel kocht, und verdampftes Kühlmittel strömt in den ersten Rückkühler 30, wo es auf dem Wärmetauschrohr 34 kondensiert und über die öffnungen 36 in die Kühlkammern zurücktropft. 1st die Umgebungsluft kalt genug, kann der erste Rückkühler 30 außer Betrieb gesetzt werden. Das verdampfte Kühlmittel tritt dann über das Kopfstück 38 in die Wärmetauschkanäle 40 ein und wird dort durch die an den verrippten Kühlflächen 44 vorbeiströmende Umgebungsluft kondensiert. Das kondensierte Kühlmittel fließt dann in das Kondensatsammeistück 42, von dort in die Leitung 46 und dann über die Rückführleitung 48 zurück zu den Kühlkammern 12.During normal operation there is a constant flow of liquid through the heat exchange pipe 34 of the first recooler 30 sent through. The components 16 release large amounts of heat during operation, which over Heat sinks are passed on to the liquid evaporative coolant. The evaporative coolant boils, and evaporated coolant flows into the first recooler 30, where it falls on the heat exchange tube 34 condenses and drips back into the cooling chambers via the openings 36. If the ambient air is cold enough the first dry cooler 30 can be put out of operation. The evaporated coolant then passes through the Head piece 38 into the heat exchange channels 40 and is there by the ribbed cooling surfaces 44 Ambient air flowing past condenses. The condensed coolant then flows into the condensate collector 42, from there into the line 46 and then via the return line 48 back to the cooling chambers 12.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Claim:

Evaporative cooling devices for heat-generating components with cylindrical cooling chambers to accommodate the components and the evaporative coolant, with liquid-cooled first Dry coolers for the evaporation coolant, which are connected to the upper part of the cooling chambers stand and have a coil of heat exchangers through the wall of which the Heat can be given off to a flowing liquid, as well as with coolant vapor leading, head pieces connected behind the first drycooler, the second via ambient air-cooled Dry coolers lead to condensate collecting pieces, whereby the condensate collecting pieces and the cooling chambers are connected by return lines for condensate, so that generated in the cooling chambers Coolant vapor instead of in the first return *> cooler can optionally also be condensed in the air-cooled second drycooler by combining the following features:

a) For a cooling device, a first back ² is provided S cooler (30), extends transversely through a plurality of cooling chambers (12) and whose the refrigerant vapor leading jacket directly connected to the tops of the cooling chambers (12) via openings (36) is;

b) a steam-carrying head piece (38) connects to the jacket space of the first dry cooler, and the connection to the condensate collecting piece (42) takes place over the main length of the Cooling chambers (12) through a plurality of heat exchange channels (40), which are cooled by the ambient air form second dry cooler;

c) as evaporation coolants are halogenated hydrocarbon refrigerants intended;

d) the first dry cooler (30) is to be put out of operation when the ambient air is cold is enough to condense the coolant vapor in the second dry cooler.