CN108415543A - 一种电脑机箱散热装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电脑机箱散热装置，包括：壳体，其为一侧开口的长方体结构；第一通风口，其沿所述壳体后侧面轴向均匀设置在所述壳体后侧面上；风扇，其设置在所述壳体内部的所述第一通风口中心处；第一冷却水道，其均匀铺设在所述壳体内部后侧；动力源，其分别连接所述风扇以及连通所述第一冷却水道的出口和入口，用于为所述风扇旋转和所述第一冷却水道内介质循环流动提供动力。能够结合液冷和风冷对电脑机箱进行主动散热，提高其运行稳定性。本发明还提供一种电脑机箱散热装置的控制方法，能够实时采集电脑机箱的运行数据，控制风扇的转速，提高散热效率；还能控制水泵的涡轮转速，进而控制冷却水在水道内循环流动的速度，进一步对电脑进行散热。

Description

一种电脑机箱散热装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电子产品技术领域，更具体的是，本发明涉及一种电脑机箱散热装置及其控制方法。

背景技术

计算机部件中大量使用的是集成电路，而众所周知，高温是集成电路的大敌。高温不但会导致系统运行不稳，使用寿命缩短，甚至有可能使某些部件烧毁。导致高温的热量不是来自计算机外，而是计算机内部，或者说是集成电路内部。散热器的作用就是将这些热量吸收，然后发散到机箱内或者机箱外，保证计算机部件的温度正常。多数散热器通过和发热部件表面接触，吸收热量，再通过各种方法将热量传递到远处，比如机箱内的空气中，然后机箱将这些热空气传到机箱外，完成计算机的散热。我们最常接触的就是CPU 的散热器。散热器通常分为主动散热和被动散热两种；前者以风冷散热器较为常见，而后者多为散热片。细分散热方式，又可分为风冷，液冷，半导体制冷，压缩机制冷等等。其中，液冷、半导体制冷及压缩机制冷要么技术不成熟，要求高，能耗大；要么体积受限，价格昂贵。

发明内容

本发明的一个目的是设计开发了一种电脑机箱散热装置，能够结合液冷和风冷对电脑机箱进行主动散热，提高其运行稳定性。

本发明的另一个目的是设计开发一种电脑机箱散热装置的控制方法，能够实时采集电脑机箱的运行数据，并控制风扇的转速，提高散热效率。

本发明还能控制水泵的涡轮转速，进而控制冷却水在水道内循环流动的速度，进一步对电脑进行散热。

本发明提供的技术方案为：

一种电脑机箱散热装置，包括：

壳体，其为一侧开口的长方体结构；以及

第一通风口，其沿所述壳体后侧面轴向均匀设置在所述壳体后侧面上；

风扇，其设置在所述壳体内部的所述第一通风口中心处；

第一冷却水道，其均匀铺设在所述壳体内部后侧；

动力源，其分别连接所述风扇以及连通所述第一冷却水道的出口和入口，用于为所述风扇旋转和所述第一冷却水道内介质循环流动提供动力。

优选的是，还包括：

第二冷却水道，其均匀铺设在所述壳体内部一侧面；

第三冷却水道，其均匀铺设在所述壳体内部另一侧面；

其中，所述动力源分别连通所述第二冷却水道和第三冷却水道的出口和入口，用于为所述第二冷却水道和第三冷却水道内介质循环流动提供动力。

优选的是，还包括水箱，其设置在所述壳体上方，与所述第一冷却水道、第二冷却水道和第三冷却水道的出口和入口连通，用于存储所述第一冷却水道、第二冷却水道和第三冷却水道中的介质。

优选的是，所述动力源包括：

驱动电机，其分别与所述风扇连接，用于驱动所述风扇旋转；

水泵，其设置在所述水箱内。

优选的是，还包括：

散热翅片，其设置在所述壳体相对外侧面上；

第二通风口，其设置在所述壳体顶面上。

优选的是，所述第一冷却水道、第二冷却水道和第三冷却水道的入口连通于一处，所述第一冷却水道、第二冷却水道和第三冷却水道的出口连通于一处。

优选的是，还包括控制器，其与所述驱动电机、水泵和电脑运行监测系统连接，用于接收电脑机箱运行的检测数据并控制所述驱动电机和水泵工作。

相应地，本发明还提供一种电脑机箱散热装置的控制方法，包括：

当时，水泵不工作；

控制器接收电脑机箱运行的检测数据，并控制风扇的转速为：

其中，n为风扇的转速，n₀为风扇的基础转速，L_i(T_i)为第i个检测指标的得分，β_i为第i个检测指标的权重，T_i为第i个检测指标的温度，1为CPU温度检测指标，2为显卡温度检测指标，3为硬盘温度检测指标，4为南桥温度检测指标，e为自然对数的底数，ξ为光驱使用情况，ε为电脑运行内存占比，η为CPU使用率。

优选的是，所述第i个检测指标的得分满足：

优选的是，所述β₁＝0.4,β₂＝0.15,β₃＝0.15,β₄＝0.3。

优选的是，当电脑机箱没有使用光驱时，ξ＝0；当电脑机箱使用光驱时，ξ＝1。

优选的是，当时，控制器控制风扇的转速为：

优选的是

将75与检测指标的加权得分的差值和风扇的转速n输入模糊控制器，所述差值和风扇的转速n分为7个等级；

模糊控制器输出水泵的涡轮转速n_s，输出分为7个等级；

所述差值的模糊论域为[0,1]，其量化因子为25；所述风扇的转速n的模糊论域为[0,1]，量化因子为8400；输出水泵的涡轮转速n_s的模糊论域为[0,1]，量化因子为5400；

输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

优选的是，还包括模糊PID控制器：

输入第i个CPU的温度T₁和CPU最佳工作温度T₀的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行水泵的涡轮转速的误差补偿控制。

优选的是，

所述CPU的温度T₁和CPU最佳工作温度T₀的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为30；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，量化因子为2.5；

所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；

所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；

所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS， PM，PB}。

本发明所述的有益效果为：

(1)本发明所述的电脑机箱散热装置，能够结合液冷和风冷对电脑机箱进行主动散热，提高其运行稳定性。

(2)本发明所述的电脑机箱散热装置的控制方法，能够实时采集电脑机箱的运行数据，并控制风扇的转速，提高散热效率。

(3)本发明还能基于PID模糊控制方法对水泵的涡轮转速进行控制，进而控制冷却水在水道内循环流动的速度，进一步对电脑进行散热。

附图说明

图1为本发明所述电脑机箱散热装置的结构示意图。

图2为本发明所述电脑机箱散热装置的结构示意图。

图3为本发明所述电脑机箱散热装置的结构示意图。

图4为本发明所述电脑机箱散热装置的结构示意图。

图5为本发明所述的模糊控制器和模糊PID控制器的控制示意图。

图6为本发明所述的模糊控制器的输入差值的隶属度函数图。

图7为本发明所述的模糊控制器的输入风扇的转速n的隶属度函数图。

图8为本发明所述的模糊控制器的输出水泵的涡轮转速n_s的隶属度函数图。

图9为本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差e的隶属度函数图。

图10为本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。

图11为本发明所述的模糊PID控制器的输出比例系数K_p的隶属度函数图。

图12为本发明所述的模糊PID控制器的输出比例积分系数K_i的隶属度函数图。

图13为本发明所述的模糊PID控制器的输出微分系数K_d的隶属度函数图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再此阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。

如图1-4所示，本发明提供一种电脑机箱散热装置，包括：壳体100，其为一侧开口的长方体结构，能够与电脑机箱后侧部分相互扣合；以及第一通风口110，其沿所述壳体100后侧面轴向均匀设置在所述壳体100后侧面上；风扇120，其设置在所述壳体100内部的所述第一通风口110中心处；第一冷却水道130，其均匀铺设在所述壳体100内部后侧；动力源，其分别连接所述风扇120以及连通所述第一冷却水道130的出口和入口，用于为所述风扇120旋转和所述第一冷却水道130内介质循环流动提供动力。所述动力源包括：驱动电机(图中未示出)，其分别与所述风扇连接，用于驱动所述风扇 120旋转；水泵(图中未示出)，其设置在所述水箱160内。

本实施例中，还包括：第二冷却水道140，其均匀铺设在所述壳体100 内部一侧面；第三冷却水道150，其均匀铺设在所述壳体100内部另一侧面；其中，所述动力源分别连通所述第二冷却水道140和第三冷却水道150的出口和入口，用于为所述第二冷却水道140和第三冷却水道150内介质循环流动提供动力。所述第一冷却水道130、第二冷却水道140和第三冷却水道150 的入口连通于一处，所述第一冷却水道130、第二冷却水道140和第三冷却水道150的出口连通于一处。

本实施例中，还包括水箱160，其设置在所述壳体100上方，与所述第一冷却水道130、第二冷却水道140和第三冷却水道150的出口和入口连通，用于存储所述第一冷却水道130、第二冷却水道140和第三冷却水道150中的介质。

作为本发明的另一实施例，还包括：散热翅片170，其设置在所述壳体100相对外侧面上；第二通风口180，其设置在所述壳体100顶面上。

作为本发明的另一实施例，还包括控制器190，其与所述驱动电机、水泵和电脑运行监测系统(可以为鲁大师或者其他电脑运行监测系统)连接，用于接收电脑机箱运行的检测数据并控制所述驱动电机和水泵工作。

工作原理：

电脑机箱即主机运行，电脑运行监测系统可以实时监测各个系统如CPU、主板、硬板、南桥等的温度以及运行内存占比和CPU使用率，风扇工作旋转，产生气流，对机箱内部进行降温，同时，水泵工作，能够使介质(一般为冷却水)在第一水道、第二水道和第三水道内循环流动，对机箱进一步降温，提高降温效率。

本发明所述的电脑机箱散热装置，能够结合液冷和风冷对电脑机箱进行主动散热，提高其运行稳定性。

本发明还提供一种电脑机箱散热装置的控制方法，包括：

(1)当时，水泵不工作；

控制器接收电脑机箱运行的检测数据，并控制风扇的转速为：

其中，n为风扇的转速(r/min)，n₀为风扇的基础转速(r/min)，L_i(T_i)为第i个检测指标的得分，β_i为第i个检测指标的权重，T_i为第i个检测指标的温度(℃)，1为CPU温度检测指标，2为显卡温度检测指标，3为硬盘温度检测指标，4为南桥温度检测指标，e为自然对数的底数，ξ为光驱使用情况(当电脑机箱没有使用光驱时，ξ＝0；当电脑机箱使用光驱时，ξ＝1)，ε为电脑运行内存占比，η为CPU使用率。

所述第i个检测指标的得分满足：

所述β₁＝0.4,β₂＝0.15,β₃＝0.15,β₄＝0.3。

(2)当时，控制器控制风扇的转速为：

并基于模糊PID控制方法根据75与检测指标的加权得分的差值和风扇的转速n来控制水泵的涡轮转速n_s，控制方法如图5所示，

本实施例中的控制器包括模糊控制器和模糊PID控制器，包括以下步骤：

步骤1：将75与检测指标的加权得分的差值和风扇的转速进行模糊处理；在无控时，所述差值的模糊论域为[0,1]，其量化因子为25；所述第风扇的转速n的模糊论域为[0,1]，量化因子为8400；输出水泵的涡轮转速n_s的模糊论域为[0,1]，量化因子为5400；为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述差值和风扇的转速n分为7个等级；输出水泵的涡轮转速n_s，输出分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB， NM，NS，0，PS，PM，PB}。其中，所述模糊控制器的控制规则为：

(2.1)差值一定，风扇的转速n增大，需要减小水泵的涡轮转速n_s；

(2.2)风扇的转速n一定，差值增大时，需要增大水泵的涡轮转速n_s；

模糊控制的具体控制规则详见表一。

表一水泵的涡轮转速的模糊控制表

模糊控制器输入差值和风扇的转速n，用模糊控制规则表一得出模糊控制器的输出水泵的涡轮转速n_s，水泵的涡轮转速n_s利用重心法解模糊化。

步骤2：模糊PID控制器

将第i个所述CPU的温度T₁和CPU最佳工作温度T₀的偏差e、偏差变化率ec、输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数进行模糊处理，在无控时，偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为30；偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，量化因子为2.5；PID的比例系数K_p的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数K_i的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数 K_d的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM， NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图6-13。其模糊控制规则为：

1、当偏差|e|较大时，增大K_p的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的K_d，通常取K_i＝0；

2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小K_p的取值，使K_i较小，选择适当大小的K_d；

3、当偏差|e|较小时，增大K_pK_i的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的K_d；当|ec|较小时，取较大的K_d；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。

表二PID的比例系数K_p的模糊控制表

表三PID的比例积分系数K_i的模糊控制表

表四PID的微分系数K_d的模糊控制表

输入第i个所述CPU的温度T₁和CPU最佳工作温度T₀的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数用高度法进行解模糊化，输入PID控制器进行水泵的涡轮转速n_s的误差补偿控制，其控制算式为：

经实验反复确定，模糊PID控制器对水泵的涡轮转速n_s进行精确控制，水泵的涡轮转速n_s为模糊控制器的输出转速和PID控制器的转速误差补偿值的加和，使水泵的涡轮转速n_s得以精确控制，使其偏差小于0.1％。

本发明所述的电脑机箱散热装置的控制方法，能够实时采集电脑机箱的运行数据，并控制风扇的转速，提高散热效率；本发明还能基于PID模糊控制方法对水泵的涡轮转速进行控制，进而控制冷却水在水道内循环流动的速度，进一步对电脑进行散热。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种电脑机箱散热装置，其特征在于，包括：

壳体，其为一侧开口的长方体结构；以及

第一通风口，其沿所述壳体后侧面轴向均匀设置在所述壳体后侧面上；

风扇，其设置在所述壳体内部的所述第一通风口中心处；

第一冷却水道，其均匀铺设在所述壳体内部后侧；

动力源，其分别连接所述风扇以及连通所述第一冷却水道的出口和入口，用于为所述风扇旋转和所述第一冷却水道内介质循环流动提供动力。

2.如权利要求1所述的电脑机箱散热装置，其特征在于，还包括：

第二冷却水道，其均匀铺设在所述壳体内部一侧面；

第三冷却水道，其均匀铺设在所述壳体内部另一侧面；

水箱，其设置在所述壳体上方，与所述第一冷却水道、第二冷却水道和第三冷却水道的出口和入口连通，用于存储所述第一冷却水道、第二冷却水道和第三冷却水道中的介质；

其中，所述动力源分别连通所述第二冷却水道和第三冷却水道的出口和入口，用于为所述第二冷却水道和第三冷却水道内介质循环流动提供动力。

3.如权利要求2所述的电脑机箱散热装置，其特征在于，还包括控制器，其与所述动力源和电脑运行监测系统连接，用于接收电脑机箱运行的检测数据并控制所述动力源工作。

4.一种电脑机箱散热装置的控制方法，其特征在于，包括：

当时，水泵不工作；

控制器接收电脑机箱运行的检测数据，并控制风扇的转速为：

其中，n为风扇的转速，n₀为风扇的基础转速，L_i(T_i)为第i个检测指标的得分，β_i为第i个检测指标的权重，T_i为第i个检测指标的温度，1为CPU温度检测指标，2为显卡温度检测指标，3为硬盘温度检测指标，4为南桥温度检测指标，e为自然对数的底数，ξ为光驱使用情况，ε为电脑运行内存占比，η为CPU使用率。

5.如权利要求4所述的电脑机箱散热装置的控制方法，其特征在于，所述第i个检测指标的得分满足：

6.如权利要求4或5所述的电脑机箱散热装置的控制方法，其特征在于，所述β₁＝0.4,β₂＝0.15,β₃＝0.15,β₄＝0.3；当电脑机箱没有使用光驱时，ξ＝0；当电脑机箱使用光驱时，ξ＝1。

7.如权利要求6所述的电脑机箱散热装置的控制方法，其特征在于，当时，控制器控制风扇的转速为：

8.如权利要求7所述的电脑机箱散热装置的控制方法，其特征在于，

将75与检测指标的加权得分的差值和风扇的转速n输入模糊控制器，所述差值和风扇的转速n分为7个等级；

模糊控制器输出水泵的涡轮转速n_s，输出分为7个等级；

所述差值的模糊论域为[0,1]，其量化因子为25；所述风扇的转速n的模糊论域为[0,1]，量化因子为8400；输出水泵的涡轮转速n_s的模糊论域为[0,1]，量化因子为5400；

输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

9.如权利要求8所述的电脑机箱散热装置的控制方法，其特征在于，还包括模糊PID控制器：

输入第i个CPU的温度T₁和CPU最佳工作温度T₀的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行水泵的涡轮转速的误差补偿控制。

10.如权利要求9所述的电脑机箱散热装置的控制方法，其特征在于，

所述CPU的温度T₁和CPU最佳工作温度T₀的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为30；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，量化因子为2.5；

所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；

所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；

所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。