CN1470013A - 用于微处理器和半导体的能够热加速的主动冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种计算机CPU用的主动冷却系统，该计算机具有计算机插槽和主板，该冷却系统包括一个插在计算机插槽内连接到主板和通过计算机插槽从市电电源直接供电的卡，该卡包括从计算机内部到计算机外部的热空气输出通道，一个冷却CPU单元包括：一个可连接到市电电源以被供电的热电组件(TEC)；一个连接到TEC并与CPU的一部分导热接触的冷侧散热片；一个连接到TEC的热侧散热片；和一个远离热侧散热片以吸收来自热侧散热片的热空气的风扇。

Description

用于微处理器和半导体的能够热加速的主动冷却系统

技术领域

本发明涉及一种提高计算机微处理器(CPU)速度并解决散热问题的主动冷却设备和方法。

背景技术

处理器的功率及其远行速度在快速地提高。从个人计算机出现至今，CPU的温度不断增加的趋势是显然的。

最初的处理器型号，例如XT、286和386并不需要任何热量解决方案。它们的功耗及温度很低。当486出现时，需要一个小型散热片[附着在CPU上的铝板]以降低和消除热量。热量增加的原因是位于硅晶片上也称作CMOS设备的晶体管数量和提高的转换速度。每个CPU型号具有多种转换速度，转换速度和温度是相关的。

奔腾CPU需要一个散热片和一个风扇。因此，出现了被动冷却解决方案的全新市场。奔腾二代型号使用一种不同的结构，使得功率和热量增加。这种CPU[和其它诸如AMD速龙(Athlon)CPU型号]需要一个非常大的散热片和风扇，有时需要两个风扇或更多风扇。热量增加的趋势在继续。

CPU的发热降低了其可靠性，进而降低整个计算机系统的可靠性，并影响转换速度。因此，降低CPU温度将允许增加转换速度。这些现象称作热加速。

上述常规冷却系统全部是被动系统。这意味着它们从计算机系统的CPU吸收热量，但是不能主动地冷却CPU并使CPU温度降低到周围温度以下。当前，被动冷却解决方案接近它们降温的极限。需要一种新的解决方案和方法。

美国德克萨斯州达拉斯城的Marlow工业公司于1996年5月在其型号为ST3404的PC芯片冷却器中试图提供主动冷却。这个简单的设备包括一个带有小型散热片的DT12-4热电冷却器，靠近PC芯片安装并连接到主板。根据制造商的数据表，它提供最高10瓦的散热，并且功率输入不应超过5伏直流电压。这个设备的缺点是就当前的CPU要求而言散热的总功率非常低，并由计算机电源的有限功率供电，所以不能接收足够的功率以驱散更多的热量。

另外，这个TEC单元效率很低，因此在计算机外壳内产生更多的热量，这加热了其它的热敏感元件，例如硬盘驱动器、存储器和芯片组等。

而且，当计算机关机或在断电情况下，相对于时间快速地改变温度经常导致热冲击，这将改变CPU特性，降低其可靠性。在过去，这不是一个严重问题，因为冷却结果导致温度的变化不是很大，CPU硅晶片的厚度较厚，与当前和/或预期未来将在CPU中使用的晶体管数量相比，晶体管数量也较少。当关闭单元时导致的另一个问题是温度的快速升高可能导致单元冷却一侧中的水凝结，这可能导致很严重的问题。另一个问题是必需从PC机箱消除在热电模块较热一侧上产生的热量。[虽然对CPU进行冷却，因为其低效率，热电元件较热一侧温度高大约30％]。因为这些缺点以及由于这个单元不能满足CPU功率需求上的变化，大约两年前放弃将这一型号投入市场，这是因为更大的被动冷却系统比这个小型主动冷却系统效率更高。

美国南加利福尼亚州西哥伦比亚城的KryoTech公司推荐了另外一种包括一个内部冷却系统的计算机。这种计算机使用一种气相冷却方法，并包括一个气体压缩器和冷凝器和安装在计算机内部的移动机械部件。这个冷却系统使计算机总体积增加大约30-40％。Kryotec销售一种加速计算机，而不是一个通用的解决方案。而Kryotech需要一种特殊的关机程序以避免热冲击和凝结。这一程序必需由一个用户来操作，这可能导致错误和故障。

下面描述的本发明是解决上述所有问题的完善系统。更具体地说，它是一个可以安装在任意计算机上的通用设备。

发明内容

根据本发明，提供一种用于计算机CPU的主动冷却系统，该计算机具有计算机插槽和主板，该冷却系统包括一个插在计算机插槽内连接到主板的卡，该卡包括从计算机内部到计算机外部的热空气输出通道，一个冷却CPU单元包括：一个可通过卡连接到电源以被供电的热电元件(TEC)；一个通过铝或铜适配器/扩展器连接到TEC并与CPU的一部分导热接触的冷侧散热片；一个连接到TEC的热侧散热片；和一个远离热侧散热片以吸收来自所述热侧散热片的热空气的风扇，和一个连接在风扇和卡上热空气输出通道之间的软管。

附图说明

根据结合附图的下述详细说明将进一步理解本发明，在附图中：

图1是根据本发明构造并操作的计算机CPU用主动冷却系统的示意图；

图2是表示图1系统的子系统之间连接的方框图；

图3是根据本发明一个实施例构造并操作的PCI或ISA卡的示意图；

图4是根据本发明一个实施例的CPU及附属TEC冷却单元的示意剖视图；

图5是根据本发明的金属托架的一个实施例的前视图；

图6是根据本发明一个实施例的TEC冷却单元操作的流程图；

图7图示与被动冷却系统相比本发明设备的主动冷却操作；和

图8图示根据本发明一个实施例的变换器的操作。

具体实施方式

在此所述的本发明是一个能够使CPU热加速用于CPU和半导体的主动冷却系统，使用一个热电冷却器(TEC)组件，一个基于Paltier效应并在相关技术领域公知的组件。当将直流电源提供给TEC组件，组件一侧变得很冷，而另一侧变得很热(一部分原因是从CPU自身抽取热量，另一部分原因是由于生成附加热量的TEC组件的低效率)。在操作中，组件实际上将热量从冷侧抽取到热侧。热电组件的效率很低，并需要很高的操作功率，这是通常不考虑将TEC用于冷却CPU和其它热量生成组件的原因。存在多种型号的热电冷却器，每种都具有不同的特性和需要不同的功率输入。对于一个高级CPU，需要一个高功率的热电组件。

现在参见图1和图2，分别图示了根据本发明一个实施例构造和操作的计算机CPU用冷却系统的示意图和方框图。本发明的冷却系统包括三个部分：

1.PCI或ISA卡10。一个合适的卡的例子10在图3中详细地图示。卡10包括一个具有一高频铁氧体或平面变压器的小型开关式市电操作电源12、微处理器控制单元14、电池充电器16、可充电电池18、风扇20、位于金属托架24上的主电源连接器22和到空气软管的连接26。第二PCB28安装在卡10上并用作到主板上PC扩展插槽(未图示)的连接器。在卡10上固定地提供一个封闭的温度传感器29。

最好在内部通过分割器19将卡10划分成两个部分。在这种情况下，卡的一半用于电子设备和电池，另一半用于在卡的后部(计算机内部)、风扇20和金属托架24之间沿着热空气出口27到外部的的空气通道。如图所示，托架24包括市电电源连接器22和当热电单元工作时产生指示的LED39。LED39最好是要一个蓝色LED以表示冷。可以使用一个闪光LED表示工作参数。

2.带有一个CPU连接器连接到主板(未图示)的冷却CPU单元30。一个适当的冷却CPU单元30的一种实施例在图4中图示。冷却CPU单元30包括一个热电组件31，例如由Marlow工业公司制造的DT12-6或美国Melcor公司制造的CP1.4-127-06L。热电组件31通过一个导热材料或复合物连接到冷侧散热片32和热侧散热片34。在此图示为铝或铜适配器/扩展器的冷侧散热片32根据CPU和热电组件31的接触区域可以具有任意所希望的形状。适配器也可以距离热侧散热片一定距离以允许插入热绝缘材料。冷侧散热片32被使用诸如硅胶的导热材料38附着在目标CPU36上。风扇40被安装在距离热侧散热片34一定距离的高架框42上。风扇40将周围空气从计算机机箱抽送到热侧散热片34的散热片上。加热后的空气由风扇抽送到连接到卡10的橡胶管中。整个单元安装在机箱44内。机箱44在除了临近热侧散热片34的空气入口之外的所有方向上被密封。根据CPU在主板上的安装形状和方法和CPU的型号与制造商，机箱44的形状显然可以是所希望的任意形状。

对于本领域的普通技术人员来说，在有待改善的热量抽吸动作的情况下，显然可以使用热电组件的级联。在这种情况下，可以提供相互连接的两个或更多热电组件的级联。这种级联显然将需要更大的输入功率来工作。

最好靠近托架24提供一个蜂鸣器33以提供系统状态的声音指示。类似地，可以提供一个连接器35用于在CPU温度超过预定阈值时输出给一个RS232或USB以使PC自动关机。在这种情况下，CPU温度传感器54连接到微处理器控制单元14，它又通过该卡的微处理器发送一个关机消息给计算机。

3.连接在卡10和热电单元30之间的软管50。软管50可以由任意合适的柔软材料，例如橡胶或塑料构成。软管50可以以所需要的任意方向弯曲以将其和热电单元安装在计算机机箱内。电连接器52也连接在卡10和热电单元30之间。根据图示的实施例，连接器是一个四线连接器，尽管可以使用不同数目的导线，例如当连接到多个热电单元和/或传感器或者将直流电压提供给CPU以允许速度改变时。当使用四线连接器时，两根导线用于从卡输送电源，另外两根导线可以用于CPU温度传感器54的输出。温度传感器54测量CPU温度并将数据发送给位于卡上的处理器。根据本发明的一种实施例，温度传感器54连接到托架24上或冷却CPU单元30内的数字显示器以提供CPU温度的可视显示。根据另一种实施例，可以使用一个外部附加温度测量设备来显示或读取温度传感器54所测量的CPU温度。

本发明的冷却系统的方法和操作如下。卡10被插入到一个空闲PC插槽中，仅占用一个插槽，通过金属托架24和连接器22接收市电电源。市电电源进入开关式电源12[使用平面变压器的小型电源]。开关式单元将交流电源转换成热电模块所需要的低直流电源，同时提供市电电源和直流电源之间的充分隔离。根据优选实施例，开关式电源的电源组件延伸到热空气输出通道内。以这种方式，电源组件也可以由输出通道内的空气冷却。

该卡检测PC的现有电压，所以如果卡的电源线未被连接和PC开机，则警报器33将向用户发出一个未连接冷却单元的警报。

卡10内的微处理器控制单元14控制冷却曲线，以一种方式维持温度曲线以防止开启PC时的热冲击。一个典型的温度曲线图在图7中被图示。如果PC在工作时被拔掉市电电源或者由于电源故障无法供电，则卡上的电池18将提供备用电源。为了节省空间和成本，仅使用几个电池生成低电压，通常为1至6个电池，最好是4个。这个低电压不足以给热电组件供电。因此，该电压进入直流到直流电压提升变压器60，或者使用将低电池电压转换成适当电压的任何其它方法，并在接收到来自微处理器控制单元14的命令时为热电组件供电。这个系统将允许热电组件继续工作几分钟，同时卡10的微处理器控制单元14根据如图7所示的所希望的曲线和算法缓慢地降低电池电压。当通过微处理器控制单元14的命令根据这一曲线增加热电组件冷侧的温度时，它将防止热冲击和水凝结。由位于热电组件冷侧上的CPU温度传感器54测量冷侧的温度。通过一个连接器，将这个信息发送给卡微处理器14。可以通过卡微处理器根据所测量的传感器温度控制开关模式电源来准确地控制CPU温度。

当计算机开机时，冷却CPU单元在其检测到卡连接器28上的5伏电压时开启冷却CPU单元。冷却CPU单元被开启到最大功率以为CPU提供冷却。周围空气被从计算机机箱抽送到热电组件31的热侧散热片中。当CPU31产生热量时，此热量被立即从CPU经热电组件的冷侧抽送到热侧散热片中。当空气流经热侧散热片时，它从热侧散热片吸收热量。加热后的空气由风扇40从冷却CPU单元抽走并推送到软管50内。从软管50开始，加热后的空气通过卡10内的热空气通道，并通过金属托架24中的热空气出口27排放到计算机机箱外。这防止了在包含其它热敏感组件[硬盘、芯片组、存储器等]的PC机箱内产生不希望有的热量。

而且，可以在不从PC机箱抽走热空气的情况下使系统工作。在这种情况下，最好提供冷却PC机箱的其它方法。

图6图示了微处理器控制单元14操作的流程图。如图所示，这包括普通的操作程序，即当计算机工作时，以及当计算机已经被关机时的特殊自动温度控制程序。在需要时，本发明的冷却系统显然可以操作用于提升CPU的温度。因此，如果计算机在极度寒冷的条件下工作和CPU温度低于一个预定阈值，则反转热电组件的极性，从而将热量抽送到CPU内，而不是从CPU抽取。

在图7中图示与被动冷却CPU(虚线)相比，具有抗热冲击控制的本发明(实线)和具有抗冲击控制的本发明(C1、C2、C3)的系统之间温度曲线上的区别。

本发明的一个特点是由一个独立的电源即市电电源或电池供电而不是由PC电源供电的热电组件。这允许使用较大功率的冷却单元，热电冷却器，从而将CPU温度降低到远低于周围温度，这在任意常规的冷却系统中是不可能的。这种温度上的降低允许显著提高的处理速度，称作CPU(CMOS设备)的热加速。

本发明的另一个特点是微处理器控制单元提供温度曲线的自动控制，从而防止关机过程中的热冲击和凝结。

图8图示变换器的操作。任一操作都由电池完成。从计算机总线获取5伏电压，并输出5伏和3.5伏电压。这允许显著增加CPU速度。通过改变CPU频率倍增器(例如将这一电压连接到AMD速龙处理器边沿连接器)，在选定点上提供的电压将改变CPU速度。

本发明显然并不仅限于上面通过例子描述的内容。本发明仅通过权利要求书来限制其保护范围。

Claims (16)

1.一种计算机CPU用的主动冷却系统，该计算机具有计算机插槽和主板，该冷却系统包括：

一个插在计算机插槽内连接到主板并通过所述计算机插槽从市电电源直接供电的卡，该卡包括从计算机内部到计算机外部的热空气输出通道；

一个冷却CPU单元包括：

一个可通过卡连接到市电电源以被供电的热电元件(TEC)；

一个连接到所述TEC并与CPU的一部分导热接触的冷侧散热片；

一个连接到所述TEC的热侧散热片；和

一个远离热侧散热片以吸取来自所述热侧散热片的热空气的风扇。

2.根据权利要求1所述的主动冷却系统，还包括一个连接在所述风扇和所述热空气输出通道之间的软管。

3.根据权利要求1所述的主动冷却系统，其中所述卡包括一个独立于内部计算机电源的高功率电源。

4.根据权利要求3所述的主动冷却系统，其中所述卡还包括多个电池，以在电源故障情况下提供备用电源从而防止热冲击和水凝结。

5.前面任一项权利要求所述的主动冷却系统，在所述冷却CPU单元中还包括一个微处理器以通过控制所述TEC的操作来控制CPU的温度。

6.根据权利要求5所述的主动控制系统，其中所述冷却CPU单元还包括一个温度传感器，用于将CPU温度的输出指示提供给所述微处理器。

7.前面任一项权利要求所述的主动冷却系统，还包括一个在所述卡和冷却CPU单元未接收市电电源但计算机开机时工作的警报器。

8.根据权利要求2所述的主动冷却系统，还包括一个金属托架，用于将所述卡安装在插槽中，所述托架包括一个连接器，用于将市电电源提供给所述卡的SMPS AC/DC变换器，由其向主动冷却系统提供电源。

9.根据权利要求8所述的主动冷却系统，其中所述市电电源被提供给占用一个计算机插槽的小型开关式电源。

10.根据权利要求9所述的主动冷却系统，其中所述小型开关式电源包括一个平面变压器。

11.根据权利要求10所述的主动冷却系统，其中所述开关式电源的电源组件延伸到所述热空气输出通道以提供所述电源组件的冷却。

12.前面任一项权利要求所述的主动冷却系统，还包括一个CPU温度的可视显示。

13.前面任一项权利要求所述的主动冷却系统，还包括一个兰色LED，用于提供系统工作的指示。

14.前面任一项权利要求所述的主动冷却系统，还包括一个提供CPU和所述热侧散热片之间更大距离的在所述冷侧散热片上的延伸器。

15.前面任一项权利要求所述的主动冷却系统，其中卡被内置在一个客户PC电源内。

16.根据权利要求8所述的主动冷却系统，其中通过用直流连接器替换交流连接器，所述卡使用一个外部直流电源而非内部SMPS，并从外部电源(线性的或SMPS)提供直流电压。

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