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Die Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät mit einem Gehäuse, wobei in dem Gehäuse eine Wärme erzeugende erste Komponente, eine Wärme erzeugende zweite Komponente sowie ein Kühlsystem angeordnet sind. Während des Betriebs des Gerätes werden die erste und die zweite Komponente durch das Kühlsystem gekühlt.
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Elektronische Geräte, insbesondere Computersysteme, umfassen in der Regel mehrere Wärme erzeugende Komponenten oder Bauteile, beispielsweise Prozessoren (Central Processing Units = CPU), Arbeitsspeicher (Random Access Memory = RAM), Systemplatinen oder weitere derartige Komponenten. Eine jede Komponente erzeugt eine Verlustleistung, welche sich in Form von Abwärme an der Komponente bemerkbar macht. Über ein Kühlsystem, in der Regel ein Lüftersystem zur Erzeugung eines Kühlluftstromes oder eine Wasserkühlung, kann diese Abwärme von den Komponenten abgeführt und nach außen an die Umgebung abgegeben werden. Meist ist an oder auf den Komponenten ein Kühlkörper mit Kühlrippen oder Kühlfahnen angeordnet, welcher die Wärmeabgabe deutlich verbessert.
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Im Regelfall weisen die Wärme erzeugenden Komponenten in derartigen Systemen in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Auslastung und Anbindung an das Kühlsystem unterschiedliche Betriebstemperaturen auf. Gerade bei Mehrsockelsystemen Systeme mit zwei oder mehreren Prozessoren – können die Prozessoren unterschiedlich ausgelastet und/oder derart positioniert sein, dass nur eine unausgeglichene Kühlwirkung erzielbar ist. Das Kühlsystem muss dabei derart ausgelegt werden, dass alle Komponenten, auch diese mit hoher Betriebstemperatur wirksam gekühlt werden, sodass das System keinen Schaden nimmt und ausfällt.
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Das bedeutet, dass das Kühlsystem immer anhand der höchsten Betriebstemperatur einer Komponente im System ausgelegt werden muss. Weitere Komponenten mit niedrigeren Betriebstemperaturen werden somit unverhältnismäßig stark gekühlt, wobei der Aufwand der Kühlung bezogen auf diese Komponenten überproportional hoch ist und unnötige Kosten verursacht.
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Bekannte Lösungen zielen meist auf eine Optimierung der Führung eines Kühlmediums ab. So werden beispielsweise komplexe Luftführungsmaßnahmen über Luftkanäle (so genannte „air ducts”) meist in Kombination mit einem Einsatz zusätzlicher Lüfter verwendet. Alternativ werden Wasserkühlungen eingesetzt, welche den Ort der Wärmeübergabe an die Umgebungsluft verlegen. Eine weitere Alternative ist die Verwendung von Kühlkörpern mit unterschiedlichen Eigenschaften der Wärmeübertragung und -abgabe an die Umgebungsluft.
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Andere Lösungen sehen vor, Abwärme einer Wärme erzeugenden Komponente über ein Wärmerohr nach außen an die Geräteaußenseite abzuführen. Das Prinzip einer thermischen Koppelung über Wärmerohre ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 20 2007 008 221 U1 bekannt. Die Druckschriften
US 5,781,409 und
US 2003/0030986 A1 zeigen Lösungen zum Abführen von Wärme einer Wärme erzeugenden Komponente innerhalb eines Computersystems an ein Kühlsystem, sodass die Wärme erzeugende Komponente gekühlt werden kann.
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Diese Lösungen haben jedoch den Nachteil, dass sie erhöhte Entwicklungskosten bei begrenzter Lebensdauer der verwendeten Bauteile verbunden mit einem hohen Wartungsaufwand (zum Beispiel bei der Wasserkühlung) mit sich bringen und einer unausgeglichenen Kühlwirkung nur sehr eingeschränkt begegnen. Dies verursacht hohe Systemkosten.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein elektronisches Gerät der eingangs genannten Art zu beschreiben, wobei die Kühlung aller Wärme erzeugenden Komponenten im Gerät verbessert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein elektronisches Gerät der eingangs genannten Art gelöst, wobei die erste Wärme erzeugende Komponente über eine Wärme leitende Verbindung mit der zweiten Wärme erzeugenden Komponente verbunden ist, derart, dass eine niedrigere Temperatur der ersten Komponente und eine höhere Temperatur der zweiten Komponente aneinander angeglichen werden.
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Dies hat den Vorteil, dass Abwärme zwischen den beiden Komponenten ausgetauscht werden kann, sodass Abwärme der heißeren Komponente über die Wärme leitende Verbindung zur kühleren Komponente transportiert wird. Dies hat zwar die Konsequenz, dass sich die kühlere Komponente etwas erwärmt, bringt jedoch den Vorteil mit sich, dass die heißere Komponente etwas abkühlt. Somit kann die Temperatur der heißeren Komponente abgesenkt werden, sodass auch die Kühlleistung des Kühlsystems reduziert werden kann.
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Aufgrund der Wärmeanpassung bzw. des Wärmeausgleichs zwischen den beiden Komponenten kann somit der Unterschied zwischen den Betriebstemperaturen der beiden Komponenten moderater dimensioniert werden, sodass auch die Kühlleistung des Kühlsystems moderater ausgelegt werden kann. Bei Lüftersystemen bedeutet dies beispielsweise die Reduzierung der Drehzahl einhergehend mit einer Reduzierung der Geräuschentwicklung. Bei einer Wasserkühlung bedeutet dies beispielsweise die Reduzierung einer Pumpleistung des Kühlmediums.
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Die Komponenten werden effizienter gekühlt, wobei der Überschuss an Kühlleistung bezogen auf die erste kühlere Komponente geringer gehalten werden kann als bei herkömmlichen Lösungen.
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Bevorzugt werden die Temperatur der ersten Komponente und die Temperatur der zweiten Komponente auf ein annähernd gleiches Temperaturniveau ausgeglichen. Somit sind die Betriebstemperaturen beider Komponenten in diesem Fall annähernd gleich und liegen zwischen der Betriebstemperatur der ersten Komponente und der Betriebstemperatur der zweiten Komponente, welche sich ohne Wärmeübergang zwischen den beiden Komponenten einstellen würden. In diesem Fall kann die Kühlleistung an ein Optimum angepasst werden, da die erste Komponente nicht zu viel und die zweite Komponente nicht zu wenig gekühlt wird. Ein Überschuss an Kühlleistung bezogen auf die erste Komponente wird somit minimiert.
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Auch bezogen auf das Gesamtsystem bringt dies den Vorteil mit sich, dass regionale oder örtliche Wärmequellen oder -senken und damit ein Temperaturungleichgewicht im Gehäuse des Systems weitestgehend ausgeglichen werden können. Über die Wärme leitende Verbindung werden Temperaturunterschiede in den Betriebstemperaturen der Komponenten ausgeglichen.
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Freilich ist der Wärmeausgleich zwischen einer heißeren und einer kühleren Komponente derart auszulegen, dass die kühlere Komponente durch Aufheizen keinen Schaden nimmt. Diese Lösung findet daher insbesondere bei Komponenten ähnlicher Bauweise und/oder Funktionalität, beispielsweise zwischen zwei Prozessoren, Anwendung.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die erste Komponente in Richtung eines Kühlluftstromes des Kühlsystems derart vor der zweiten Komponente angeordnet, dass zumindest ein Teil des Abluftstromes der ersten Komponente auf die zweite Komponente trifft. Dieses Ausführungsbeispiel und die räumliche Anordnung der beiden Komponenten findet beispielsweise in Mehrsockelsystemen (speziell in Zwei-Sockel-Systemen) Anwendung, wobei die Komponenten platzsparend mit einem geringen Bauteilvolumen in einem Gehäuse angeordnet werden.
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Dies bringt jedoch nachteilig mit sich, dass die zweite Komponente, welche im Abluftstrom hinter der ersten Komponente liegt, aufgrund der durch die Abwärme der ersten Komponente erwärmten Luft zusätzlich erwärmt wird. Ferner liegt die zweite Komponente im Schatten der ersten Komponente, sodass auch nur ein Teil der Kühlluft des Kühlsystems an die zweite Komponente gelangt. All dies führt zu einem Temperaturungleichgewicht zwischen den beiden Komponenten, welches aufgrund der Wärme leitenden Verbindung zwischen den beiden Komponenten herabgesetzt werden kann.
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Vorzugsweise umfasst die Wärme leitende Verbindung ein Wärmerohr. Dies wird insbesondere zur Wärmeleitung zwischen einer Wärmequelle (hier die heißere Komponente) und einer Wärmesenke (hier die kühlere Komponente) eingesetzt. Aufgrund von Wärmeleitung im Wärmerohr können die Betriebstemperaturen der beiden Komponenten aneinander angeglichen werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen sowie in der nachfolgenden Figurenbeschreibung offenbart.
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Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in drei Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektronischen Gerätes,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Gerätes und
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3 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines elektronischen Gerätes.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektronischen Gerätes 1, mit einem Gehäuse 2. In dem Gehäuse 2 sind beispielhaft zwei Wärme erzeugende Komponenten, namlich eine erste Komponente 3 und eine zweite Komponente 4 angeordnet. Beide Komponenten 3 und 4 können beispielsweise zwei Prozessoren eines Computersystems oder ähnliches darstellen. Zur Kühlung der beiden Komponenten 3 und 4 ist weiterhin im Gehäuse 2 ein Kühlsystem 5, hier beispielhaft in Form eines Lüfters, angeordnet. Das Kühlsystem 5 erzeugt einen Kühlluftstrom 7, welcher zunächst auf die erste Komponente 3 und anschließend auf die zweite Komponente 4 trifft. In Richtung des Kühlluftstroms 7 hinter der zweiten Komponente 4 kann an einer Außenwand des Gehäuses 2 beispielsweise eine Lüftungsöffnung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um die erzeugte Abwärme nach außen aus dem Gehäuse 2 abzuführen.
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Bei dieser Anordnung der Komponenten 3 und 4 in Richtung des Kühlluftstroms 7 hintereinander entsteht der Nachteil, dass ein durch die erste Komponente 3 erwärmter Abluftstrom 8 auf die zweite Komponente 4 trifft. Ferner liegt die zweite Komponente 4 zum Teil im Schatten der ersten Komponente 3 bezüglich des Kühlluftstroms 7, sodass nur ein Teil des Kühlluftstroms 7 und somit nur ein Teil eines Frischluftstroms auf die zweite Komponente 4 trifft.
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Aus diesen Gründen und auch aus Gründen einer unterschiedlichen Leistung und Performance der beiden Komponenten 3 und 4 kann sich die zweite Komponente 4 stärker erwärmen als die erste Komponente 3. Somit liegt ein Ungleichgewicht zwischen den Betriebstemperaturen der ersten Komponente 3 und der zweiten Komponente 4 im Gehäuse 2 vor.
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Die Komponenten 3 und 4 sind über eine Wärme leitende Verbindung 6 miteinander verbunden, wobei sich aufgrund physikalischer Gesetze der Wärmelehre beide Hitzequellen, also die Komponenten 3 und 4 in ihrer Abwärme untereinander ausgleichen. Das bedeutet, dass eine erhöhte Abwärme der Komponente 4 zur kühleren Komponente 3 transportiert wird, wodurch sich die kühlere Komponente 3 etwas erwärmt, jedoch die heißere Komponente 4 etwas abkühlt. Dieser Wärmeübergang ist durch den Blockpfeil 10 symbolisch verdeutlicht.
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Aufgrund der Wärme leitenden Verbindung 6 zwischen den beiden Komponenten 3 und 4 werden somit die beiden Betriebstemperaturen der Komponenten 3 und 4 aneinander angeglichen, wobei im Idealfall die Betriebstemperaturen auf ein annähernd gleiches Temperaturniveau ausgeglichen werden, welches zwischen den beiden Betriebstemperaturen liegt.
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Die Wärme leitende Verbindung 6 umfasst beispielsweise ein Wärmerohr. Das Wärmerohr oder Wärmeleitrohr (engl. „heat pipe”) kann beispielsweise eine Außenhülle und ein innen liegendes Kapillargeflecht aufweisen, in dem ein Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, befördert wird. Das Kapillargeflecht kann beispielsweise durch ein Kupferdrahtgeflecht mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sein. Der Vorteil eines derartigen Wärmerohres ist, dass die Wärme besonders gut transportiert werden kann, da ein Strom des Arbeitsmediums durch die Dochtstruktur des Kapillargeflechts im Wärmerohr aufrechterhalten bleibt. Dies führt zu einer hohen übertragbaren Wärmeleistung im Wärmerohr. Derartige Wärmerohre finden breite Anwendung beim Einsatz in Computersystemen.
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Die Wärme leitende Verbindung kann beispielsweise auch durch einen Metall- oder Kupfersteg zwischen den beiden Komponenten 3 und 4 gebildet sein, wobei sich aufgrund eines Temperaturgradienten zwischen den Komponenten 3 und 4 ein Wärmestrom von der wärmeren Komponente 4 zur kälteren Komponente 3 hin einstellt.
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Es ist auch denkbar, an der Wärme leitenden Verbindung 6 einen Kühlkörper vorzusehen, wobei zusätzlich zum Wärmetransport in der Wärme leitenden Verbindung 6 Wärme am Kühlkörper abgeführt werden kann, sodass insgesamt die Wärmeabfuhr von der heißeren Komponente 4 verbessert werden kann.
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Aufgrund der genannten Maßnahmen kann die Kühlleistung des Kühlsystems 5 reduziert werden, da die maximal zu kühlende Betriebstemperatur, hier der heißeren Komponente 4, abgesenkt wird. Ferner entsteht im Gehäuse 2 ein ausgeglicheneres Temperaturverhältnis, wobei regionale Zonen unterschiedlicher Wärmequellen und -senken zumindest teilweise ausgeglichen werden können.
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Eine Reduzierung der Kühlleistung des Kühlsystems bedeutet beispielsweise gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 eine Reduktion der Lüfterdrehzahl und somit eine Reduktion der Geräuschentwicklung im elektronischen Gerät 1.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines elektronischen Gerätes 1 mit einem Gehäuse 2, wobei im Gehäuse 2 ebenfalls zwei Komponenten 3 und 4 mit unterschiedlichen Betriebstemperaturen gemäß ihrer Auslastung eingerichtet sind. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kühlt ein Kühlsystem 5 in Form eines Lüfters die beiden Komponenten 3 und 4 durch Erzeugen eines Kühlluftstroms 7. Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 2 liegen die Komponenten 3 und 4 in Richtung des Kühlluftstromes 7 jedoch direkt hintereinander und sind nicht, wie in 1, versetzt zueinander angeordnet. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in kompakten elektronischen Geräten 1 mit einer hohen Bauteildichte bei geringem Bauteilvolumen notwendig.
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Dies bedeutet, dass nahezu der gesamte erwärmte Abluftstrom 8 der ersten Komponente 3 und nahezu keine Frischluft des Kühlluftstroms 7 an die zweite Komponente 4 gelangt. Hier ist also ein hohes Ungleichgewicht zwischen den Betriebstemperaturen der Komponenten 3 und 4 zu erwarten. Zum Ausgleich der Betriebstemperaturen und zum Ableiten einer Wärme von der heißeren Komponente 4 zur kühleren Komponente 3 (siehe Blockpfeil 10) sind die beiden Komponenten 3 und 4 auf einer Wärme leitenden Verbindung 6, welche hier plattenförmig ausgeführt ist, angeordnet. Die Wärme leitende Verbindung 6 kann dabei gemäß einem der oben erläuterten Prinzipien arbeiten.
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Die Betriebstemperaturen der Komponenten 3 und 4 können sich aneinander angleichen und werden bevorzugt auf ein nahezu einheitliches Temperaturniveau ausgleichen. Somit wird die maximale Betriebstemperatur, nämlich die Temperatur der heißeren Komponente 4, abgesenkt, sodass die Leistung des Kühlsystems 5 ebenfalls abgesenkt werden kann. Dies hat, wie bereits erläutert, den Vorteil, dass die kühlere Komponente 3 nicht überproportional und die heißere Komponente 4 dennoch ausreichend gekühlt werden.
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines elektronischen Gerätes 1, wobei ein Teil eines Gehäuses 2 schematisiert dargestellt ist. In dem Gehäuse 2 ist eine Wärme erzeugende erste Komponente 3 und eine Wärme erzeugende zweite Komponente 4 sowie eine Wärme leitende Verbindung 6 zwischen den beiden Komponenten 3 und 4 angeordnet. Die Komponenten 3 und 4 sowie die Wärme leitende Verbindung 6 weisen Kühlkörper auf, deren Kühlrippen oder Kühlfahnen in einem Kühlluftstrom eines Kühlsystems (nicht dargestellt) befindlich sind. Dadurch kann aufgrund von Konvektion Abwärme von den Komponenten 3 und 4 sowie von der Wärme leitenden Verbindung 6 abgeführt werden. Aufgrund der Wärme leitenden Verbindung 6 zwischen den beiden Komponenten 3 und 4 stellt sich nahezu ein Gleichgewicht der Betriebstemperaturen der Komponenten 3 und 4 ein, welches zwischen einer maximalen Betriebstemperatur der heißeren Komponente 4 und der niedrigeren Betriebstemperatur der kühleren Komponente 3 liegt. Ein Wärmestrom, welcher sich aufgrund der Wärme leitenden Verbindung 6 von der heißeren Komponente 4 zur kühleren Komponente 3 hin einstellt, ist dabei entgegengesetzt gerichtet zum Kühlluftstrom des Kühlsystems.
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Ferner sind im Gehäuse 2 weitere Komponenten 9, beispielsweise Steckplätze für Arbeitsspeicher (RAM), Erweiterungskarten oder Tochterkarten sowie elektronische Bauteile angeordnet. Die Komponenten 3 und 4 stellen beispielsweise Prozessoren eines Computersystems dar.
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Die beiden Komponenten 3 und 4 sind in diesem Ausführungsbeispiel versetzt angeordnet, ähnlich zum Ausführungsbeispiel aus 1. Es wäre jedoch auch denkbar, die Komponenten 3 und 4 gemäß einer Anordnung aus 2 anzuordnen. Dies ist abhängig von einer Bestückung des Systemboards im elektronischen Gerät 1.
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In nichtdargestellten Ausführungsformen können beispielsweise auch mehrere Komponenten über mehrere Wärme leitende Verbindungen derart verbunden sein, dass sich sämtliche Betriebstemperaturen aller verbundenen Komponenten aneinander angleichen und vorteilhafterweise auf ein nahezu gleiches Temperaturniveau ausgleichen. Somit werden sämtliche Betriebstemperaturen aller verbundener Komponenten gemittelt, wobei die maximale Betriebstemperatur der heißesten Komponente abgesenkt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass ein Kühlsystem in einem derartigen Gerät lediglich auf die gemittelte Betriebstemperatur ausgelegt werden muss. Aufgrund der Wärme leitenden Verbindungen zwischen allen Komponenten stellt sich ein ausgeglichenes Wärmeniveau im Gerät ein, wobei örtlich verteilte Wärmequellen oder Wärmesenken ausgeglichen werden können.
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Die Wärme leitende Verbindung kann auf vielerlei Arten ausgeführt sein. Hierbei ist möglich, lediglich einen Metall- oder Kupfersteg oder eine entsprechende plattenförmige Verbindung zur Wärmeleitung vorzusehen oder komplexere Bauformen, wie beispielsweise ein Wärmerohr oder einen Thermosiphon vorzusehen. Derartige Bauformen können von unterschiedlichen Arbeitsmedien, beispielsweise Wasser oder Kühlflüssigkeit, durchströmt sein. Die Wärmeleitfähigkeit der Wärme leitenden Verbindung 6 ist auf die entsprechende Anwendung anzupassen.
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Ferner kann das Kühlsystem 5 jegliche Art von Kühlsystem, beispielsweise ein Lüftersystem oder eine Flüssigkühlung über ein Fluid wie Wasser oder Kühlmittel oder eine Kombination dieser Bauformen umfassen. Die dargestellten Ausführungsformen wirken lediglich beispielhaft.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektronisches Gerät
- 2
- Gehäuse
- 3
- Wärme erzeugende erste Komponente
- 4
- Wärme erzeugende zweite Komponente
- 5
- Kühlsystem
- 6
- Wärme leitende Verbindung
- 7
- Kühlluftstrom
- 8
- Abluftstrom
- 9
- weitere Komponenten
- 10
- Wärmeübergang
