CN1985231B - 用于有效冷却处理器的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于有效冷却一处理器的系统的一个实施例包括一经配置以热耦合到所述处理器的安装板、一热耦合到所述安装板的被动式热传送装置，和一耦合到所述被动式热传送装置的热交换器。

Description

用于有效冷却处理器的系统

技术领域

本发明大体上涉及计算机硬件，且更明确地说涉及一种用于有效冷却处理器的系统。

背景技术

图1是说明计算装置100的示意图，所述计算装置100内并入有用于冷却图形处理器单元(GPU)116的常规冷却系统118。如图所示，计算装置100包括外壳101，外壳101内驻存有母板104。安装在母板104上的是中央处理单元(CPU)106、用于冷却CPU106的处理器冷却器108、用于从计算装置100去除热量的系统风扇110，和一个或一个以上外围组件接口(PCI)卡112，其每一者均与位于外壳101背部中的槽介接。母板104进一步并入有图形卡102，其使计算装置100能够迅速处理用于图形密集应用程序(例如游戏应用程序)的图形相关数据。图形卡102包含一印刷电路板(PCB)，所述印刷电路板上安装有复数个电路组件(未图示)，例如存储器芯片和类似物。另外，图形卡100包括安装到图形卡102的一个面的用于处理图形相关数据的GPU 116。

因为GPU116的计算要求通常相当大，所以GPU116在操作期间趋于产生大量的热量。如果产生的热量没有适当地消散，那么GPU116的性能通常会降级。出于这个原因，将经配置以从GPU116去除热量的冷却系统118耦合到GPU116。尽管在图1中未图示，但冷却系统118通常包括一专用的风扇，所述风扇经配置以迫使空气穿过沿着冷却系统118的耦合到GPU116的表面(也称为“热传递表面区域”)安置的复数个空气通道并进入外部环境中。穿过这些通道的气流促使将GPU 116产生的热量消散到外部环境中。

使用冷却系统118的一个缺点是冷却系统118的尺寸受包络约束(envelopeconstraint)限制。具体来说，图形卡102的分配给冷却系统118的表面面积是有限的，且加速图形处理器(AGP)芯片规格通过缩减冷却系统118距离图形卡102的高度而进一步限制了冷却系统尺寸。对冷却系统118的尺寸约束限制了冷却系统118的热传递表面区域的尺寸和专用风扇的尺寸，从而限制了冷却系统118的热传递有效性。

另一缺点是冷却系统118内的专用风扇的尺寸也受包络约束的限制，从而限制了冷却系统118的热传递表面区域上方的气流，且进一步抑制了冷却系统118的热传递有效性。

冷却系统118的另一缺点是专用风扇的故障率可能相当高。由于冷却系统118通常是图形卡102的组件，因此专用风扇的故障通常使更换图形卡102成为必要。这个要求不仅减小了图形卡102的可靠性，而且是昂贵且耗时的。

另外，在操作期间，专用风扇往往产生大量使计算装置100的用户厌烦的不希望的噪声。

发明内容

一种用于冷却一处理器的系统的一个实施例包含一经配置以热耦合到所述处理器的安装板、一热耦合到所述安装板的被动式热传送装置和一热耦合到所述被动式热传送装置的热交换器。

所揭示的冷却系统的一个优点在于其使用计算装置的系统风扇来吸取空气使其穿过热交换器，藉此不需要专用风扇。另外，与专用风扇相比，使用系统风扇还增加了穿过所揭示的冷却系统的气流。这与增加的热传递面积相结合，大大改进了所揭示的系统的热传递有效性。

附图说明

图1是说明一计算装置的示意图，所述计算装置内并入有用于冷却图形处理单元的常规冷却系统；

图2是说明一根据本发明一个实施例的计算装置的示意图，所述计算装置内并入有用于冷却图形处理单元的改进的冷却系统；和

图3是说明根据本发明的改进的冷却系统的一个实施例的等距视图。

具体实施方式

图2是说明根据本发明一个实施例的计算装置200的示意图，所述计算装置200内并入有用于冷却图形处理单元(GPU)216的改进的冷却系统250。计算装置200可以是任何类型的计算装置，包括(但不限于)台式计算机、服务器、膝上型计算机、掌上型计算机、个人数字助理、平板计算机、游戏控制台、蜂窝式电话、基于计算机的模拟器和类似物。

一般来说，冷却系统250经配置以耦合到GPU216来代替常规冷却系统(例如，图1的冷却系统118)，且包括(但不限于)安装板(未图示)、被动式热传送装置252和热交换器254。被动式热传送装置252在第一末端251处耦合到GPU216且适于在朝向系统风扇210的方向上延伸离开GPU216。如下文结合图3进一步详细描述，被动式热传送装置252可使用安装板而耦合到GPU216。在一个实施例中，被动式热传送装置252穿过图形卡202中的切口而路由朝向系统风扇210。在替代实施例中，被动式热传送装置252可通过围绕图形卡202的边缘“环绕(looping)”被动式热传送装置252而路由朝向系统风扇210。热交换器254耦合到被动式热传送装置252的第二末端253且进一步适于与系统风扇210介接。

同样如下文结合图3进一步详细描述，在操作期间，GPU216产生的热量传递到被动式热传送装置252的第一末端251。所述热量接着沿着被动式热传送装置252的长度传送到第二末端253，在第二末端253处热量传递到热交换器254。系统风扇210接着吸取空气使其穿过热交换器254，从而促使传递到热交换器254的热量穿过计算装置200的背面而消散，并进入外部环境中。重要的是，冷却系统250利用系统风扇220去除GPU216产生的热量，从而不需要专用的风扇。

所属领域的技术人员将了解，本发明不受图2中说明的图形卡202与系统风扇210的相对位置限制。图形卡202和系统风扇210可具有任何相对位置，只要冷却系统250能够如所希望的一样发挥功能。

图3是说明根据本发明的改进的冷却系统300的一个实施例的等距视图。与图2的冷却系统250类似，冷却系统300可适合用于任何类型的适当的计算装置中。如图所示，冷却系统300可包括(但不限于)安装板306、被动式热传送元件302和热交换器304。在一个实施例中，安装板306适于耦合到GPU(例如，图2的GPU216)，同时须谨慎以确保安装板306与GPU之间足够的热和机械接触。在替代实施例中，安装板306可耦合到GPU并且耦合到安装在PCB上的一个或一个以上存储器芯片。在又一实施例中，冷却系统300可包含第二安装板(未图示)，其中安装板306耦合到GPU，且所述第二安装板耦合到一存储器芯片。

被动式热传送装置302在第一末端301处耦合到安装板300。在图3中说明的实施例中，被动式热传送装置302包含一对热管。在替代实施例中，被动式热传送装置302可包含将使冷却系统300能够如所希望的一样操作的任何类型的热传送装置。举例来说，被动式热传送装置302可包含热虹吸管、热管，或可在不使用移动零件的情况下将热量从一个位置传递到另一位置的任何装置。

热交换器304耦合到被动式热传送装置302的第二末端303且适于与计算装置的系统风扇(例如，图2的系统风扇210)介接。在图3中说明的实施例中，热交换器304包含复数个堆叠的翼片。在替代实施例中，热交换器304可(尤其)包含一挤压、切片或铸造散热片，或可包含复数个板翼片，所述复数个板翼片(例如)通过结合或按压配合而个别地直接安装到被动式热传送装置302的第二末端303。在又一替代实施例中，被动式热传送装置302与热交换器304可形成为一个集成单元。

冷却系统300提供优于常规冷却系统(例如，图1的冷却系统118)的若干优点。首先，使用系统风扇代替专用风扇使得冷却系统300更可靠，因为与典型的专用风扇相比，系统风扇稳固得多，且较不易于发生故障。

另外，使用系统风扇增加了冷却系统300的冷却能力，这使冷却系统300能够比常规冷却系统更有效地将热量从GPU传递出去。冷却能力增加的一个原因是，由于热交换器304的尺寸不受通常与图形卡关联的包络约束限制(因为冷却系统300不再是图形卡的一部分)，因此热交换器304的热传递面积A可充分大于常规冷却系统的热传递面积。举例来说，热交换器304的热传递面积可配置成比图1的常规冷却系统118的热传递面积大大约百分之60到350以上。此外，冷却系统300的热传递系数h大于常规冷却系统的热传递系数，因为冷却系统300依赖于大得多的系统风扇，所述系统风扇比与常规冷却系统一起使用的典型专用风扇产生大得多的气流。

根据以下等式计算热流动速率

$\stackrel{\·}{Q}=\mathrm{hA}(T_{\sin k}-T_{\mathrm{air}})$ (等式1)

其中，T_sink是冷却系统的热交换器元件的温度，且T_air是流经热交换器的空气的温度。如上所述，由于A和h对于冷却系统300来说比对于常规冷却系统来说要大得多(且如果ΔT大约相同)，所以当使用冷却系统300时热流动速率

大大增加。增加的热流动速率

进一步使冷却系统300相对于常规冷却系统具有改进的热传递效率θ_sa。所属领域的技术人员将了解，可根据以下等式计算热传递效率θ_sa：

(等式2)

其中，θ_sa的值较小指示效率增加且因此更加合乎需要。同样，热传递面积A和热传递系数h较大会促使冷却系统300具有较大的热流动速率且因此也具有改进的效率(如θ_sa的值较小所证明)。或者，其中

固定，效率改进将导致T_sink-T_air较小。将改进的冷却系统300与常规冷却系统进行比较的模拟实验展示改进的冷却系统300的效率可比常规冷却系统的效率大大约三倍。另外，模拟实验还展示改进的冷却系统300可将GPU冷却到比利用常规冷却系统实现的温度低25％百分比以上的温度(Q固定的情况下)。

最后，因为冷却系统300不包括专用风扇且一般来说具有较少的移动零件，所以冷却系统300与常规冷却系统相比产生显著较少的噪音。

除了以上内容外，所属领域的技术人员还将了解，在替代实施例中，可使用冷却系统300冷却任何类型的处理器。举例来说，在一个实施例中，可使用冷却系统300冷却中央处理单元。在替代实施例中，使用冷却系统250冷却特殊应用集成电路(ASIC)。

因此，本发明展现了处理器冷却领域中的显著进步。通过使较多热流能够离开GPU，并入有本文描述的改进的冷却系统的系统与现有技术冷却系统设计相比将以更大效率消散热量。此外，通过依赖于系统风扇替代专用风扇在热传递表面上方吸取空气，改进的冷却系统以提高的可靠性发挥功能。另外，改进的冷却系统中减少或排除移动零件将大大减少操作期间产生的噪音量。

尽管上文已参照特定实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将了解，可在不脱离所附权利要求书中陈述的本发明的较广义精神和范围的情况下对所述特定实施例作出各种修改和变化。因此，应在说明性而非限定性意义上考虑以上描述和附图。

Claims (16)

1.一种用于冷却一计算装置的外壳单元的内部空间的系统，所述计算装置包括一支承一中央处理单元(CPU)和一图形卡的母板，所述中央处理单元由所述外壳单元的一壁中的一风扇来冷却，所述图形卡实质上垂直安装到所述母板并支承一图形处理单元(GPU)和一存储器芯片，所述冷却系统包含：

一被动式热传送装置，其具有一第一末端和一第二末端，所述第一末端包含一直接耦合到所述GPU的安装板；和

一热交换器，其耦合到所述被动式热传送装置的所述第二末端，并物理地安装在所述中央控制单元和所述外壳单元的所述壁中的所述风扇之间，其中所述热交换器与所述风扇热交换，从而所述风扇移除由所述CPU和所述GPU产生的热。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述被动式热传递装置包含一热管。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述被动式热传递装置包含一热虹吸管。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述被动式热传递装置包含一电动力泵。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述被动式热传送装置和所述热交换器包含一单一集成元件。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述热交换器是一挤压散热片。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述热交换器是一堆叠翼片散热片。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述热交换器是一切片散热片。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述热交换器是一铸造散热片。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述热交换器包含复数个耦合到所述被动式热传送装置的板翼片。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述热交换器适于耦合到一计算装置的一系统风扇。

12.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含一安装板，所述安装板适于将所述被动式热传送装置的所述第一末端耦合到所述处理器。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述安装板进一步经配置以热耦合到一个或一个以上存储器芯片。

14.根据权利要求12所述的系统，其进一步包含一第二安装板，所述第二安装板经配置以将所述被动式热传送装置耦合到一存储器芯片。

15.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器包含一专用集成电路或一中央处理单元。

16.一种用于冷却使用在一计算装置中的多个处理器的系统，所述系统包含：

一第一安装板；

一第一处理器，其安装在所述第一安装板上；

一第二安装板，其安装在所述第一安装板上；

一第二处理器，其安装在所述第二安装板；

一被动式热传送装置，其具有一第一末端和一第二末端，所述第一末端热耦合到所述第二处理器；和

一热交换器，其热耦合到所述被动式热传送装置的所述第二末端，并介接到所述计算装置的一系统风扇，其中所述系统风扇用于使空气通过所述热交换器，使所述处理器产生的热发散到外部环境中。

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