DE102005033249B3

DE102005033249B3 - Kühlanordnung für ein Computersystem

Info

Publication number: DE102005033249B3
Application number: DE102005033249A
Authority: DE
Inventors: Günther Veh
Original assignee: Fujitsu Technology Solutions GmbH
Current assignee: Fujitsu Technology Solutions GmbH
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-07-16
Also published as: US20070019381A1; US7391617B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für ein Computersystem, die eine Grundplatte (1), eine Systemplatine (2), die auf der Grundplatte angeordnet ist, einenm Prozessor (4), der auf der Systemplatine (2) angeordnet ist, und eine Kühlvorrichtung (6), die auf dem Prozessor (4) angeordnet ist, aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen Grundplatte (1) und Systemplatine (2) im Bereich des Prozessors (4) eine Halteplatte (11) vorgesehen ist, und die Kühlvorrichtung (6) über Verbindungsmittel (10, 12) beweglich mit der Halteplatte (11) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für ein Computersystem, aufweisend eine Grundplatte, eine Systemplatine, die auf der Grundplatte angeordnet ist, einen Prozessor, der auf der Systemplatine angeordnet ist, und eine Kühlvorrichtung, die auf dem Prozessor angeordnet ist.

Kühlanordnungen bestehend aus einer Grundplatte, einer Systemplatine, einem Prozessor und einer Kühlvorrichtung sind vielfach bekannt. Beispielsweise offenbaren die Druckschriften DE 203 04 781 U1 , DE 20 2004 007 471 U1 , WO 02/27785 A2 und GB 2 402 555 A gattungsgemäße Kühlanordnungen.

Während relativ leistungsschwache Prozessoren noch mit einem auf dem Prozessor selbst montierten passiven Kühlkörper gekühlt werden können, entwickeln moderne, sehr leistungsfähige Prozessoren sehr viel mehr Abwärme. Daher werden zu deren Kühlung in der Regel aktive Kühlvorrichtungen eingesetzt, beispielsweise Kühlkörper mit darauf fest montierten Lüftern. Auch andere Arten der Kühlung sind bekannt, beispielsweise die Verwendung von Wasserkühlern oder Wärmerohren, auch genannt Heatpipes, in Verbindung mit separaten Kühlkörpern.

Durch die zunehmende Leistung und Wichtigkeit der verwendeten Kühlvorrichtungen kommt auch deren Befestigung wachsende Bedeutung zu.

In der Regel werden Kühlvorrichtungen direkt auf einer Systemplatine befestigt, üblicherweise über Befestigungslaschen an der Seite eines Prozessorsockels. Durch eine solche Befestigung wirken große Kräfte zwischen der Kühlvorrichtung und der Systemplatine.

Dies hat zum einen den Nachteil, dass Kräfte, die beispielsweise beim Transport auf schwere Kühlvorrichtungen einwirken, auf die Systemplatine übertragen werden und diese beschädigen können. Außerdem ist es möglich, dass besonders schwere Kühlvorrichtungen sich von dem Prozessorsockel lösen. Dies kann beispielsweise zu Kurschlüssen innerhalb des Computers führen oder auch den Prozessor beschädigen. Selbst wenn der Computer nach dem Loslösen der Kühlvorrichtung noch einsatzbereit ist, kann der Prozessor beispielsweise infolge thermischer Überlastung zerstört werden.

Um das Gewicht verwendeter Kühlvorrichtungen zu begrenzen, ist es bekannt, relativ kleine Kühlkörper mit besonders leistungsfähigen Lüftern auszustatten, sodass der Luftstrom und damit die Kühlleistung bei gleich bleibender Kühlkörperoberfläche erhöht wird. Dies hat jedoch den Nachteil, dass hochtourig drehende Lüfter in der Regel einen hohen Geräuschpegel verursachen, der für einen Benutzer des Computers störend ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Kühlanordnung zu beschreiben, bei der Beschädigung einer Systemplatine oder eines Prozessors verhindert werden. Dabei soll die Anordnung auch für besonders leistungsfähige oder große Kühlvorrichtungen einsetzbar sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Kühlanordnung mit Merkmalen gemäß des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung einer Halteplatte zwischen der Grundplatte und der Systemplatine wird eine Kraftübertragung von der Kühlvorrichtung direkt auf die Grundplatte des Computersystems ermöglicht. Somit wirken keine oder zumindest nur stark verminderte Kräfte auf den Prozessor oder die Systemplatine ein, sodass diese auch nicht durch die Kühlvorrichtung beschädigt werden können. Um die auftretenden Kräfte weiter zu vermindern, insbesondere beim Transport des Computers und den dadurch an besonders schweren oder hohen Kühlvorrichtungen auftretenden Beschleunigungskräften, wird die Kühlvorrichtung über Verbindungsmittel beweglich mit der Halteplatte verbunden. Anstatt hohe Haltekräfte direkt von der Kühlvorrichtung auf die Halteplatte oder die Systemplatine zu übertragen, wird die zugehörige Energie erfindungsgemäß in eine Kippbewegung der Kühlvorrichtung umgewandelt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Kühlvorrichtung über Befestigungsbolzen mit einer Gewindestoppfunktion und Spiraldruckfedern an einer Halteplatte befestigt. Die Halteplatte stellt sicher, dass sich die Systemplatine nicht konvex durchbiegen kann, auch dann nicht, wenn verhältnismäßig hohe Kräfte auf die Kühlvorrichtung einwirken. Beim Auftreten besonders großer Beschleunigungskräfte kippt die Kühl+vorrichtung über die Befestigungsbolzen gegen die wirkenden Federn ab und wird nachfolgend durch die entgegen gerichteten Federkräfte zurück in das Ausgangslage gebracht. Durch diese dynamische Aufhängung wird vermieden, dass der Prozessor durch auftretende hohe Kräfte beschädigt wird.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Kühlanordnung,
2 einen Querschnitt durch eine Halteplatte der erfindungsgemäßen Kühlanordnung,
3 einen vergrößerten Querschnitt durch eine Schraubbefestigung der erfindungsgemäßen Kühlanordnung,
4 einen Querschnitt durch ein Computersystem mit einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Kühlanordnung. Auf einer Grundplatte 1 ist eine Systemplatine 2 angeordnet. Die Systemplatine 2 trägt einen Prozessor 4, im Ausführungsbeispiel gehalten durch einen Prozessorsockel 3. Der Prozessor 4 besitzt eine Kontaktfläche 5, über die die in dem Prozessor 4 erzeugte Wärme gesammelt und einer Kühlvorrichtung 6 zur Verfügung gestellt wird.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Kühlvorrichtung 6 aus einem Wärmetauscher 7, einer Kontaktplatte 8 und Wärmerohren 9 zum Übertragen von Wärmeenergie von der Kontaktplatte 8 zu dem Wärmetauscher 7. Um die Wärmeabgabe durch den Wärmetauscher 7 zu optimieren, ist dieser zu der zu kühlenden Wärmequelle, hier dem Prozessor 4, beabstandet. Im Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 7 aus einem besonders leichten Material, beispielsweise Aluminium, aufgebaut, für die Kontaktplatte 8 und die Wärmerohre 9 wird ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, etwa Kupfer, verwendet.
Die Kühlvorrichtung 6 wird durch Schrauben 10 an einer Halteplatte 11, die zwischen der Grundplatte 1 und der Systemplatine 2 angeordnet ist, gehalten. Dabei drücken Federn 12 die Kontaktplatte 8 gegen die Kontaktfläche 5 des Prozessors 4.
Durch Anpassen der Federstärke der Federn 12 kann der Anpressdruck der Kontaktplatte 8 auf die Kontaktfläche 5 des Prozessors 4 eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, eine sichere Wärmeübertragung von der Kontaktfläche 5 an die Kühlvorrichtung 6 zu gewährleisten, ohne dabei die gesamte benötigte Haltekraft für die Kühlvorrichtung 6 auf den Prozessor 4 oder die Systemplatine 2 zu übertragen. Da die Kontaktplatte 8 über die Schrauben 10 mit der Halteplatte 11 verbunden ist, können Kräfte stattdessen über die Halteplatte 11 an die Grundplatte 1 des Computersystems übertragen werden.
Treten bei einem Transport des Computersystems besonders hohe Kräfte auf, beispielsweise Beschleunigungskräfte, die auf die Kühlvorrichtung 6 einwirken, werden diese Kräfte nicht vollständig über die Schrauben 10 an die Halteplatte 11 abgegeben, sondern über die Federn 12 in eine Kippbewegung der Kühlvorrichtung 6 umgeleitet. Um eine Beschädigung des Prozessors 4 und der Systemplatine 2 durch ein zu starkes Abkippen der Kontaktplatte 8 zu vermeiden, sind an den Schrauben 10 erste Auflagepunkte 13 vorgesehen, durch die die Kippbewegung der Kühlvorrichtung 6 gestoppt wird.
Des Weiteren ist zwischen der Grundplatte 1 und der Systemplatine 2 ein Abstandshalter 16 angeordnet, der ein zu weites konvexes Durchbiegen der Systemplatine 2 und damit eine Be schädigung der darauf angebrachten Lötverbindungen verhindert.
Die 2 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäß vorgesehene Halteplatte 11 der Kühlanordnung. Die Halteplatte 11 liegt großflächig auf, sodass über Schrauben 10 übertragene Kräfte großflächig an die Grundplatte 1 übertragen werden können. Dazu kann die Halteplatte 11 beispielsweise mit der Grundplatte 1 verschraubt oder verrastet werden. Alternativ kann die Halteplatte 11 auch auf dem Abstandshalter 16 aufliegen oder mit dessen Hilfe befestigt werden. Selbstverständlich ist auch eine Integration der Halteplatte 11 mit dem Abstandshalter 16 möglich.
Um eine sichere Befestigung der Kühlvorrichtung 6 an der Halteplatte 11 zu gewährleisten, sieht die Halteplatte 11 Gewindebohrungen 15 vor. Der Prozessor 4 ist dabei in einem Bereich der Systemplatine 2 angeordnet, der sich zwischen den Auflageflächen 17 der Halteplatte 11 befindet, so dass sich die Systemplatine 2 im Bereich des Prozessors geringfügig konkav biegen kann.
3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch eine der Schraubbefestigungen der erfindungsgemäßen Kühlanordnung. Hierin ist eine mögliche Ausgestaltung der Schraube 10 zu erkennen. Im oberen Bereich der Schraube 10 wirkt die Feder 12 zwischen dem Schraubkopf 19 und der Kontaktplatte 8. Erfindungsgemäß kann sich die Kontaktplatte 8 sowohl herauf als auch herunter bewegen, um eine Kippbewegung des Kühlvorrichtung 6 zu gestatten. Nach oben hin wird die Kippbewegung durch den Schraubenkopf 19 und nach unten hin durch den ersten Auflagepunkt 13, hier ausgeführt in Form einer Nut, begrenzt.
Auch die Systemplatine 2 kann in geringem Umfang zwischen der Auflagefläche 17 und einer Verjüngung 20 der Schraube 10 ausgelenkt werden. Im Unterschied zu herkömmlichen Kühlanordnungen findet keine direkt Kraftübertragung von der Kühlvorrichtung 6 auf die Systemplatine 2 statt und somit werden kritische, unkontrollierte Zugspannungen innerhalb der Systemplatine weitestgehend vermieden.
Um eine genaue Positionierung der Schraube 10 und somit des ersten Auflagepunktes 13 und der Verjüngung 20 zu erreichen, besitzt die Schraube 10 einen zweiten Auflagepunkt 14, der zusammen mit einem Schraubfutter 18 eine Gewindestoppfunktion bewirkt. Das Schraubfutter 18 ermöglicht zusätzlich eine Verlängerung der Gewindebohrung 15, um auch große Kräfte sicher auf die Halteplatte 11 übertragen zu können.
Die erfindungsgemäße Kühlanordnung eignet sich insbesondere für Computersysteme, die einen Prozessor entsprechend dem Intel LGA 775-Standard aufweisen. Bei diesem Typ des Prozessors sind die Kräfte, die zwischen dem Prozessor 4 und dem Prozessorsockel 3 wirken, besonders wichtig. Denn anders als bei herkömmlichen Prozessorsockeln wird die Signalübertragung zwischen Sockel 3 und Prozessor 4 ausschließlich über die Andruckkraft des Prozessors 4 in den Sockel 3 gewährleistet. Dazu sehen Prozessorsockel 3 nach dem Intel LGA 775-Standard eine Haltevorrichtung vor, die den Prozessor 4 sicher in dem Prozessorsockel 3 hält, auch dann, wenn keine Kühlvorrichtung 6 über den Prozessor 4 montiert ist.
Da sowohl die Prozessoren 4 als auch die Prozessorsockel 3 gemäß diesem Standard mechanisch relativ empfindlich sind, ist es wichtig, dass eine maximale Anpresskraft einer Kühl vorrichtung 6 gegenüber einer Kontaktfläche 5 des Prozessors 4 nicht überschritten wird. Durch die Verwendung geeigneter Federn 12 lässt sich die benötigte Anpresskraft zur sicheren Wärmeübertragung von der Kontaktfläche 5 auf die Kontaktplatte 8 einstellen, ohne dass dadurch eine Beschädigung des Prozessors 4 bewirkt wird. Gleichzeitig stellen die Halteplatte 11 und der Abstandshalter 16 sicher, dass sich die Systemplatine 12 nicht konvex durchbiegen kann, auch wenn eine besonders schwere Kühlvorrichtung 6 auf dem Prozessor 4 montiert ist.
Gemäß der Intel-Spezifikation wird das Problem durch eine Begrenzung der Kühlkörpermasse umgangen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass bei besonders leistungsfähigen Prozessoren 4 in der Regel ein besonders hochtouriger Lüfter zur Kühlung des Prozessors 4 eingesetzt werden muss. Der Einsatz von leistungsfähigen aber großflächigen Kühlvorrichtungen 6, wie dem im Ausführungsbeispiel gezeigten System auf Basis einer Heatpipe, das ohne aktive Kühlelemente auskommt und somit keine störenden Geräusche in dem Computer erzeugt, werden durch diesen Standard praktisch ausgeschlossen.
Denn der zum Prozessor 4 beabstandet angeordnete Kühlkörper 7 kann aufgrund des durch die Wärmerohre 9 gegebenen Hebels auch bei geringer Masse des Kühlkörpers 7 große Kräfte ausüben. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Systemplatine 2 aufrecht stehen in einem Computersystem angeordnet ist, so dass die Schwerkraft parallel zu der Systemplatine 2 auf die Kühlvorrichtung einwirkt. Dadurch ergibt sich eine einseitige Belastung an der unteren Kante des Prozessors 4.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung und Befestigung der Kühlvorrichtung 6 ist es dennoch möglich, eine schwere oder besonders hohe Kühlvorrichtung 6 auf dem Prozessor 4 zu montieren, ohne dabei mehr als die maximal zugelassene Auflagekraft auf die Kontaktfläche 5 einwirken zu lassen. Eine einseitige Belastung bei aufrechter Anordnung kann dabei durch die Verwendung von Federn 12 mit unterschiedlicher Federstärke ausgeglichen werden.
4 zeigt ein Computersystem 21 mit einem Gehäuse 22 mit eingebautem Netzteil 23. Das Netzteil 23 weist einen Lüfter 24 auf, der sowohl das Netzteil als auch das Gehäuseinnere mit Kühlluft versorgt. Die Grundplatte 1 der erfindungsgemäßen Lüfteranordnung entspricht einer der Seiten des Gehäuses 22 und trägt die Systemplatine 2. Auf der Systemplatine 2 ist ein Prozessor 4 angeordnet, der über die Kühlvorrichtung 6 gekühlt wird.
Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Kühlvorrichtung 6 um eine passive Kühlvorrichtung bestehend aus der Kontaktplatte 8, den Wärmerohren 9 und dem Kühlkörper 7. Der Kühlkörper 7 ist von dem Prozessor 4 beabstandet und so angeordnet, dass er sich im kühlenden Luftstrom des Lüfters 24 befindet. Ein separater Lüfter zur Kühlung des Prozessors 4 kann somit entfallen. Dies hat den Vorteil, dass eine zusätzliche Geräuschentwicklung vermieden wird.
Selbstverständlich kann die Kühlvorrichtung 6 auch so angeordnet werden, dass sie durch andere, bereits vorhandene oder zusätzliche Gehäuselüfter 24 mit Kühlluft versorgt wird.

1: Grundplatte
2: Systemplatine
3: Prozessorsockel
4: Prozessor
5: Kontaktfläche
6: Kühlvorrichtung
7: Wärmetauscher
8: Kontaktplatte
9: Wärmerohr (heat pipe)
10: Schrauben
11: Halteplatte
12: Feder
13: erster Auflagepunkt
14: zweiter Auflagepunkt
15: Gewindebohrung
16: Abstandshalter
17: Auflagefläche
18: Schraubfutter
19: Schraubenkopf
20: Verjüngung
21: Computersystem
22: Gehäuse
23: Netzteil
24: Lüfter

Claims

Kühlanordnung für ein Computersystem, aufweisend – eine Grundplatte (1), – eine Systemplatine (2), die auf der Grundplatte (1) angeordnet ist, – einen Prozessor (4), der auf der Systemplatine (2) angeordnet ist, und – eine Kühlvorrichtung (6), die auf dem Prozessor (4) angeordnet ist, wobei – zwischen Grundplatte (1) und Systemplatine (2) im Bereich des Prozessors (4) eine Halteplatte (11) vorgesehen ist, – die Kühlvorrichtung (6) über Verbindungsmittel (10, 12) beweglich mit der Halteplatte (11) verbunden ist, – die Verbindungsmittel (10, 12) Federelemente (12) aufweisen, die eine Kippbewegung der Kühlvorrichtung (6) ermöglichen, wobei in einer unausgelenkten Position der Kühlvorrichtung (6) eine Wärmeübertragung von dem Prozessor (4) zu der Kühlvorrichtung (6) stattfindet, und – die Verbindungsmittel (10, 12) einen ersten Auflagepunkt (13) aufweisen, der die Kippbewegung der Kühlvorrichtung (6) so begrenzt, dass in einer maximal ausgelenkten Position der Kühlvorrichtung (6) eine Beschädigung des Prozessors (4) oder der Systemplatine (2) verhindert wird.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteplatte (11) Gewindebohrungen (15) aufweist und die Verbindungsmittel (10, 12) durch eine Schraubverbindung mit der Halteplatte (11) verbunden sind.
Kühlanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (10, 12) einen zweiten Auflagepunkt (14) aufweisen, sodass die Verbindungsmittel (10, 12) nur bis zum Erreichen des zweiten Auflagepunktes (14) in die Gewindebohrung (15) eingeschraubt werden können.
Kühlanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (6) ein Wärmerohr bzw. eine Heatpipe (9) aufweist.
Kühlanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (6) einen Lüfter aufweist.
Kühlanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (4) und die Systemplatine (2) entsprechend dem Intel LGA 775-Standard ausgeführt sind.
Kühlanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (6) schwerer ist als dies im Intel LGA 775-Standard vorgesehen ist.
Kühlanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Grundplatte (1) und der Systemplatine (2) wenigstens ein Abstandshalter (16) angeordnet ist, der ein konvexes Durchbiegen der Systemplatine (2) verhindert.
Computersystem (21), aufweisend – ein Gehäuse (22) mit einer Grundplatte (1), – eine Systemplatine (2) mit einem Prozessor (4), – eine Kühlvorrichtung (6), die auf dem Prozessor (4) angeordnet ist und – einen Gehäuselüfter (24), dadurch gekennzeichnet, dass – die Grundplatte (1), die Systemplatine (2), der Prozessor (4) und die Kühlvorrichtung (6) zusammen eine Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ergeben und – die Kühlvorrichtung (6) so in dem Gehäuse (22) angeordnet ist, dass sie durch den Luftstrom des Gehäuselüfters (24) mit Kühlluft versorgt wird.
Computersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Computersystem (21) ein Netzteil (23) mit einem Lüfter (24) umfasst und der Netzteil-Lüfter als Gehäuselüfter (24) dient.