CN100343781C - 具有无噪声冷却的计算机系统 - Google Patents

Abstract

一种计算机系统使用大散热片来提供无噪声冷却，由此消除了对可能具有噪声的常规冷却风扇的需要。散热片形成包含计算机的主板和硬盘驱动器的底架的一部分。主板和硬盘驱动器被设置在所述底架内以提供从主板上的微处理器和从硬盘驱动器到散热片的热传导，所述散热片将热量消散入环境空气中。通过在包含主板和硬盘驱动器的底架上放置具有通风的上部和下部的屏蔽罩来提供增强的EMI屏蔽。

Description

具有无噪声冷却的计算机系统

发明领域

本发明一般涉及计算机硬件，尤其涉及用于个人计算机冷却部件的机制。

发明背景

常规个人计算机是有噪声的装置。常规个人计算机产生的主要噪声源是计算机机架内的冷却风扇。需要风扇来向装在计算机机架内的部件提供空气冷却。对于计算机内的微处理器集成电路(IC)来说冷却是尤其重要的。随着现代计算机中的微处理器变得越来越强大，微处理器IC的装置密度变得很高。没有适当的冷却，微处理器IC中大量装置产生的热量能很快使得IC过热并损坏IC。产生大量热量(和噪声)的另一个部件是硬盘驱动器，当计算机处于工作状态以允许快速的磁盘输入/输出时，它恒定地自旋。为了排除计算机机架内的部件产生的所有热量，该热量可用高达几百瓦，风扇必须相当的有效，即以高速旋转来产生高速流过计算机机架的气流。气流和风扇的机械振动的噪声形成常规个人计算机噪声的主要部分。

常规风扇冷却的计算机的高噪声是不希望产生的。在家庭或办公室中由个人计算机发出的噪声使人分心和烦乱，并可能对用户的生产率产生负面影响。即使用户可以试图精神上忽略噪声，但仍会在身体上和精神上影响他们。同样，消费者常常不愿将个人计算机置于家庭的区域中，在那里高噪声会干扰诸如听音乐和睡觉的行动。在许多应用中高噪声还可以直接影响风扇冷却的计算机的使用。例如，从计算机发出的噪声影响计算机中嵌入的麦克风的信噪比(SNR)，这使得声音输入较不可靠。同样。尽管用于处理音乐数据的现代个人计算机具有强大性能，风扇冷却的计算机通常还是太吵闹以致不能直接用于录音室中，并需要将麦克风移到另一个房间以避免噪声。

因此，计算机中冷却风扇产生的高噪声的降低或消除可以潜在地改善办公室和家庭设置中计算机用户的生产率，并使得计算机可以在关注噪声的应用中使用。此外，消费者把个人计算机放置在家里或工作场所中任何位置的意愿对于下一代个人计算机的成功来说是基本的。当前风扇冷却的计算机的高噪声的消除会是实现该目标的重要因素。

除了噪声，使用风扇提供冷却还具有其它缺点。风扇本身是由来自计算机电源的电源工作的，因此增加了计算机的功率消耗并增加了从计算机排除的总热量。使用风扇冷却的另一个重要的问题在于风扇变成计算机单点故障。如果风扇坏掉，则整个计算机将变得不可使用。

发明概述

由于前述的原因，本发明向个人计算机的结构提供了新的方法，它提供了用于计算机部件的无噪声冷却，尤其是微处理器和硬盘驱动器。根据本发明的冷却机制不仅除去了有噪声的风扇还除去了用于装入内部部件的传统计算机机箱。取而代之，较大的散热片(heat sink)用作包含主板和硬盘驱动器的部分底架。散热片暴露给外部环境空气用于散热。主板和硬盘驱动器支持在底架中，从而微处理器和硬盘驱动器两者紧紧地固定在散热片上以允许微处理器和硬盘驱动器产生的热量传导并由散热片消散。如必要，可以使用比常规计算机中使用的风扇更安静的低功率送风机来帮助气流通过计算机的底架。低功率送风机的耐久性或可靠性比常规计算机风扇更好。通过使用由散热片提供的被动冷却，可以除去传统有噪声的高功率冷却风扇，从而导致无噪声的计算机。

附图概述

图1是功能框图，示出实现本发明的计算机系统中包含的共有部件；

图2是根据本发明构建的个人计算机实施例的部分适示意性侧视图，其中使用较大的散热片来提供无噪声的冷却；

图3是图2的个人计算机的前视图；

图4是计算机底架的更详细的侧视图，它由两个散热片形成并包含计算机的主板和硬盘驱动器；

图5是底架的可供选择的实施例的侧视图，其中具有不同的主板和硬盘驱动器的排列；

图6是另一个可供选择的实施例的侧视图，其中用于RF屏蔽的屏蔽罩(或热通道)中装入了其上设置主板和硬盘驱动器的散热片。

本发明的具体描述

现在参考附图，其中相同的标号表示相同的元素，图1示出一些部件，它们是实现本发明的个人计算机的组成中共有的。在常规类型的个人计算机设计中，这些部件被装入计算机机架，并由有噪声的高功率风扇冷却。相反，如以下将更详细地描述的，这里没有用于计算机200中的高功率风扇。取而代之，使用较大散热片来提供无噪声冷却，且至少主板和硬盘驱动器被置于底架220(见图2)中，其中散热片是该底架的一部分。

如图1所示，计算机200包括主板110，其上设置了微处理器集成电路(IC)112。用于数据的暂时或永久存储的一个或多个存储器芯片114和在启动期间协助计算机的BIOS芯片116也通常设置在主板上。为了提供设置在主板110上的部件之间的通信连接，在主板上提供了各种通信总线122，诸如系统总线和PCI总线。

主板116还包括接口插槽118，用于连接到不位于主板上的部件。计算机还可以包括扩展插槽120，用于之后添加新的功能性装置。在常规计算机结构中，扩展插槽通常置于主板上。但是，在本发明的较佳实施例中，扩展插槽置于计算机的底座202(见图2)中，因为主板110靠近散热片且它更易于向插槽和插入插槽的扩展板卡提供空间和可达性。

图1中还示出不直接设置在主板110上的许多其它部件。如以下将更详细地描述的，提供非易失性数据存储形式的硬盘驱动器130也被设置在由散热片部分形成的底架220上。其它部件包括软盘驱动器132、光盘驱动器134和调制解调器136。在以下描述的较佳实施例中，这些部件置于计算机的底座202中。计算机系统还包括外围设备，诸如键盘140、监视器142和鼠标144。

现在参考图2，本发明针对新的计算机结构，向计算机200的部件提供无噪声或低噪声冷却。根据本发明，不是通过充满噪声的常规高功率风扇提供冷却的。取而代之，本发明使用非常规的结构，它包括大散热片222来提供被动空气冷却。如图2所示，散热片222形成至少包含主板110和硬盘驱动器130的部分底架220。与有时常规计算机的机架中个别部件上设置的小散热片形成鲜明对比的是，散热片222不装如封闭的箱中。散热片222足够大以覆盖主板110和硬盘驱动器130，且是暴露给外部环境的环境空气的计算机底架220的一部分。主板110和硬盘驱动器130设置在底架220内，从而微处理器芯片112和硬盘驱动器都紧紧地固定在散热片222上以允许微处理器和驱动器产生的热量传导到散热片，随后由散热片将热量消散入环境空气中。底架220从支持表面上升，在支持表面上计算机通过安装在底座202上的短脚(或支座)276搁置以允许冷却空气从下部流入底架。

在所示的实施例中，底架220主要由两个大散热片222和224形成。散热片由具有高导热性的材料制成，诸如铝。压出的铝散热片易于得到并很廉价。如图5所示，散热片具有向外突出的垂直叶片(fin)254。包含叶片254增加了散热片的表面积以提高散热片的散热性能。

在图2所示的实施例中，包含主板和硬盘驱动器的底架220置于底座202上并和底座202连接。底座202还支持监视器142。所示实施例中的监视器142是平板显示器，也可以使用诸如阴极射线管类型的其它类型的监视器。底座202具有平坦的上部结构，它支持监视器142并提供用于底架220的托架。除了提供用于支持监视器和底架220的结构，底座202提供了用于包含计算机部件的空间，这些计算机部件不适合在底架220内相对紧密的空间中。例如，如上所述，底座202可以包括扩展插槽和有关的扩展卡。底座202还包括软盘驱动器132和光盘驱动器134，以及电源和诸如调制解调器的其它部件。如图2和3所示，底座202还结合电源开关204、电源指示器灯206和音频输出扬声器208。

在图4中较好地观察底架220和其中部件的结构。在所示的实施例中，为了提供提升了的散热性能，使用了两个散热片222和224。但是，如果不需要由第二散热片提供的额外散热，散热片224可以由简单的平面构件代替，诸如图6的可供选择的实施例中的支撑件286。如图4所示，第一散热片222和第二散热片224置于相对的位置，其中各接触表面236和238向内且通常彼此平行，而它们具有热叶片的侧部230、232向外。两个散热片222和224形成底架202，且主板和硬盘驱动器置于两个散热片之间的间隙240内的散热片上。因此，散热片不仅提供无噪声冷却还对包含其中的计算机部件提供结构化支持和保护。流过底架220的间隙240的空气还帮助冷却底架内的部件。为了便于在间隙240内安装部件，散热片的接触表面236、238较佳地形成为具有通常矩形轮廓的平面表面。

主板110通常是具有相对的多个电路安装在其上的第一和第二表面242、244的矩形板。在所示的实施例中，微处理器112在主板110的第一表面242上。主板110安装到散热片224的接触表面238上，其中主板的第二表面244通常平行并偏置于第二接触表面238。

为了消散由微处理器112产生的热量，安装主板110从而微处理器112的上侧246和第一散热片222的接触表面236热接触。如这里所使用的，“热接触”表示通过接触，通过它热量由从一个结构到另一个结构的传导而转移。热接触不意味着直接的物理接触。例如，在图4所示的实施例中，热管250用来桥接微处理器112的上表面246和散热片222的接触表面236之间的间隙。热管250由诸如金属的导热材料制成，并可以简单的是合适尺寸的铝块。可供选择的，热管可以形成为散热片222的主要部分。为了确保从微处理器112到散热片222的良好的热转移，在微处理器112和热管250之间的接触处和热管和散热片222之间的接触处采用导热的油脂等等。

为了确保处理器112和散热片222的第一接触表面236之间紧密的热接触，向主板110施加朝向散热片222的压力，从而微处理器112稳固地压住热管250，它顺次稳固地压住散热片222。所以，在所示的实施例中，主板110设置在第二散热片224上，其中弹簧固定件(spring-loaded mount)252向另一个散热片222压迫主板，使得微处理器112的上侧246稳固地压住热管250。

底架220中的部件可以采用大量不同的方式，以便使底架202中的空气冷却效率和/或空间利用最大化。例如，在图4的实施例中，主板110在硬盘驱动器130上垂直地设置在底架220中。在图5所示的可选实施例中，主板110和硬盘驱动器并排设置在底架中，从而热量可以从每个部件更自由地上升。

由于将主板110置于间隙240中，图1所示的通常置于主板上的其它部件也由第一和第二散热片222、224保护性地覆盖着。在图4所示的实施例中，这些部件包括存储芯片114和BIOS芯片116。由于存储芯片114和BIOS芯片116通常不会象处理器112那样产生热量，所以这些部件无需和散热片222、224热接触。取而代之，存储芯片114和BIOS芯片116产生的热量可以直接通过间隙240消散入气流中。在冷却系统的其它实施例中，其它热管可以从第一接触表面236延伸到存储芯片114和BIOS芯片116以使这些部件和第一散热片222热接触。

硬盘驱动器130也设置在两个散热片222和224之间的间隙240中。硬盘驱动器130通常是具有第一侧256和第二侧258的矩形结构。在图4所示的实施例中，设置硬盘驱动器130，从而其第一侧256压住第一散热片222的接触表面236，而其第二侧258压住第二散热片224的接触表面238。因此，硬盘驱动器130夹在第一和第二散热片222、224之间。为了防止封闭在硬盘驱动器130中旋转的磁盘使得硬盘驱动器吵闹地扰动散热片222、224，在硬盘驱动器的第一和第二侧256、258与接触表面236、238之间放置了两片振动吸收材料260。较佳地，振动吸收材料260是诸如乙烯树脂的柔性(compliant)材料，它吸收来自硬盘驱动器130声振动并将振动转换成较小的热量。通过第一和第二接触表面236、238将硬盘驱动器产生的热量传导到第一和第二散热片222、224。

除了使用振动吸收材料片260，还可以采用其它部件来降低散热片组件220中的噪声造成的振动和扰动。例如，可以用延伸穿过间隙240的第二组弹簧固定件262将第一和第二散热片222、224结合在一起。弹簧固定件262衰减设置在散热片上的其它部件产生的振动。此外，将主板110设置到第二散热片224上的第一组弹簧固定件252还隔绝到主板或来自主板的振动。

虽然预计在多数情况中较大的散热片222、224可以向部件提供有效的被动冷却，但在某些实施例中，需要在间隙240中结合低功率送风机。例如，如图4所示，低功率送风机264设置在第一接触表面236上。当置于间隙240中时，低功率送风机264产生次要通风来增强部件的冷却。因为低功率送风机264只用于帮助通过散热片222和224之间的间隙240的气流，且多数热量由散热片消散，送风机264不必是大功率的并可以以相对较低的速度旋转。这可以使其在正常的操作环境中非常安静并不会使用户注意。

因为散热片222和224非常靠近以高频(例如在几MHz的范围中)产生电信号的各种部件，大量暴露的底架可以变成用于电磁干扰(EMI)的导体和天线。如图6所示，为了防止EMI，底架220可以封闭在提供EMI屏蔽的屏蔽罩270中。将该屏蔽罩定形，从而在散热片壁和屏蔽罩之间形成热通道(chimney)。较佳地，屏蔽罩270由较轻的材料制成，诸如具有通过溅射沉积技术将金属层沉积在其内表面上的塑料。为了提供有效的屏蔽，屏蔽罩270较佳地具有稍许高过底架220的高度。为了确保散热片222、224的叶片适当地暴露给环境空气，屏蔽罩270在上部具有通风口272而在下部具有开口274。短脚276设置在屏蔽罩270的下部，以便抬高屏蔽罩从而允许较冷的环境空气通过下部开口274进入屏蔽罩。进入屏蔽罩的空气向上流动并流经散热片的表面带走热量，通过上通风口272上升出。

为了提升EMI屏蔽的效率，使用金属滤网(screen)278、280来分别覆盖下部开口274和上部通风口272。滤网不仅降低了经由开口的EMI泄漏，还防止物体被无意地插入屏蔽罩270。为了防止用户通过将书本或其它物体放置到通风口272上来阻碍屏蔽罩270内的气流，图6中屏蔽罩270的上部倾斜以避免提供平坦的表面便于用户尝试放置物体，诸如书本或纸张，这些东西可以阻断通过屏蔽罩的气流。

考虑到应用本发明原理的许多可能的实施例，应理解，这里关于附图描述的实施例仅仅是示意性的而非作为本发明范围的限定。因此，这里描述的本发明关注所有这种实施例，如在以下权利要求书和其等效物的范围内的实施例。

Claims (23)

1.一种计算机，其特征在于，包括：

主板，其上设置有微处理器；

硬盘驱动器；以及

底架，所述主板和所述硬盘驱动器安装于其中；所述底架包括其大小足以覆盖所述主板和所述硬盘驱动器两者的散热片，所述散热片的一部分直接暴露在外部环境中，所述主板和所述硬盘驱动器安装到所述底架上，从而使所述微处理器和所述硬盘驱动器与所述散热片的接触表面热接触，使得微处理器和硬盘驱动器所产生的热量被传导到散热片上并由散热片进行散热。

2.如权利要求1所述的计算机，其特征在于，所述底架包括相对于所述散热片并与之隔开的支撑件，其中所述主板被设置在所述支撑件上。

3.如权利要求2所述的计算机，其特征在于，所述支撑件是具有接触表面的另一散热片，且所述主板被安装到所述另一散热片的接触表面上。

4.如权利要求2所述的计算机，其特征在于，所述主板通过弹簧固定件设置在所述支撑件上。

5.如权利要求2所述的计算机，其特征在于，所述硬盘驱动器压在所述散热片的接触表面和所述支撑件之间。

6.如权利要求2所述的计算机，其特征在于，所述散热片和所述支撑件由弹簧固定件连接。

7.如权利要求6所述的计算机，其特征在于，还包括插入硬盘驱动器和散热片之间以及硬盘驱动器和支撑件之间的柔性片，以用于振动衰减。

8.如权利要求1所述的计算机，还包括底座，其特征在于，其中所述底架被设置在所述底座上。

9.如权利要求8所述的计算机，其特征在于，还包括监视器，其中所述监视器支持于所述底座上。

10.如权利要求8所述的计算机，其特征在于，所述底座包括光盘驱动器。

11.如权利要求1所述的计算机，其特征在于，还包括设置在所述底架内的送风机，用于驱动空气通过所述底架。

12.如权利要求1所述的计算机，其特征在于，还包括布置在所述底架周围的屏蔽罩，用于电磁干扰屏蔽。

13.如权利要求12所述的计算机，其特征在于，所述屏蔽罩具有用于空气循环的上下开口。

14.如权利要求1所述的计算机，其特征在于，包括布置在所述微处理器和所述散热片的接触表面之间的导热构件，以便将热量从微处理器传导到散热片。

15.一种计算机，其特征在于，包括：

主板，其上设置有微处理器；

硬盘驱动器；和

底架，其中设置有所述主板和所述硬盘驱动器；所述底架包括其大小足以覆盖所述主板和所述硬盘驱动器的散热片，以及相对于散热片设置且与之隔开的支撑件，所述散热片的一部分直接暴露在外部环境中，所述主板和硬盘驱动器被设置在所述支撑件上，从而微处理器和硬盘驱动器与散热片的接触表面热接触以便使微处理器和硬盘驱动器所产生的热量被传导到散热片并由散热片消散；

底座，其上设置有底架。

16.如权利要求15所述的计算机，其特征在于，所述支撑件是另一散热片。

17.如权利要求15所述的计算机，其特征在于，所述硬盘驱动器被压在所述散热片和所述支撑件之间，还包括插入所述散热片和硬盘驱动器之间以及硬盘驱动器和支撑件之间的柔性片以便提供振动衰减。

18.如权利要求17所述的计算机，其特征在于，还包括布置在微处理器和散热片之间的导热构件以便将热量从所述微处理器传导到所述散热片。

19.如权利要求15所述的计算机，其特征在于，所述主板通过弹簧固定件被设置到所述支撑件上。

20.如权利要求18所述的计算机，其特征在于，所述散热片和支撑件由弹簧固定件连接。

21.如权利要求15所述的计算机，其特征在于，还包括布置在所述底架上的屏蔽罩，用于电磁干扰屏蔽。

22.如权利要求15所述的计算机，其特征在于，还包括底座上支持的监视器。

23.如权利要求15所述的计算机，其特征在于，所述底座包括光盘驱动器。

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