DE102010060261B3

DE102010060261B3 - CPU-Kühler

Info

Publication number: DE102010060261B3
Application number: DE201010060261
Authority: DE
Inventors: Dr. Krause Ralph
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2011-11-10
Anticipated expiration: 2030-10-30
Also published as: WO2012055402A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mit mindestens einem Kühlkörper und einem Ventilator aufgebauten CPU-Kühler, mit dem sowohl die Kühlleistung erhöht als auch der abgestrahlte Schall nachhaltig verringert werden kann. Der CPU-Kühler umfasst einen Kühlkörper (1), der aus einem Trägerelement (3) mit Kühlrippen (4) sowie einem Anschlusselement (2) besteht, und einer Ventilatoreinheit, die sich aus einem Antrieb und mindestens einem Laufrad (13) zusammensetzt. Das Laufrad (13) besteht aus einem Radiallaufrad (5), dessen eine offene Seite vollständig von einem Axiallaufrad (9) überdeckt wird. Der Kühlkörper (1) ragt mit seiner dem Trägerelement (3) abgewandten Seite in das Radiallaufrad (5) hinein. Die Radial-(8) und Axialflügel (12) sind derart gekrümmt, dass beim bestimmungsgemäßen Gebrauch mittels des Axiallaufrads (9) Luft längs des Kühlkörpers (1) hin zum zweiten Stirnelement (7) und mittels des Radiallaufrads (5) Luft distal von der Mantelfläche des Trägerelements (3) weg bewegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen CPU-Kühler mit einem Kühlkörper, der aus einem Trägerelement mit Kühlrippen sowie einem Anschlusselement für die thermische Anbindung an die CPU besteht, und einer Ventilatoreinheit, die sich aus einem Antrieb und mindestens einem Laufrad zusammensetzt, mit dem sowohl die Kühlleistung erhöht als auch der abgestrahlte Schall nachhaltig verringert werden kann.
Der Hauptprozessor in PCs (CPU, Central Processing Unit) ist eine thermisch hoch beanspruchte Baugruppe, wobei mit zunehmender Integrationsdichte der Prozessoren die abzuführenden Wärmestromdichten regelmäßig zunehmen. So haben sich die Wärmestromdichten in den letzten 10 Jahren etwa verdreifacht und liegen aktuell bei ca. 100 W/cm².
Üblicherweise werden zur Kühlung von CPUs Axialventilatoren eingesetzt, wobei zur Erhöhung der Kühlleistung (des Kühlluftvolumenstroms) die Durchmesser der Ventilatorblätter fortwährend vergrößert wurden. Aufgrund der Standardisierung der Baugruppen hinsichtlich Abmessung und Anordnung zueinander ist aber aus Platzgründen keine wesentliche Vergrößerung der Durchmesser der Ventilatorblätter mehr möglich.
Zwar könnte der Luftvolumenstrom auch mittels einer Steigerung der Drehzahl der Ventilatoren erhöht werden, dies verbietet sich jedoch, da eine Erhöhung der Drehzahl eine verstärkte Geräuschentwicklung zur Folge hätte. Im den letzten Jahren hat sich unter den Nutzern ein Anspruch auf ”leise Gerätetechnik” entwickelt, d. h., die Intensität des abgestrahlten Schalls wird immer mehr zu einem verkaufsbestimmenden Faktor.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Lösungen bekannt, die das Ziel haben, die Kühlleistung bei vergleichsweise geringer Schallabstrahlung und bei vorgegebenem Durchmesser des Ventilators zu erhöhen.
So wird in DE 10 2005 031 262 B4 eine Kühlkörpervorrichtung zum Kühlen eines elektronischen Bauelements vorgestellt, die aus einem Axiallüfter und einem Kühlkörper in Form einer spiralförmig angeordneten, mit geschlitzten Flächen versehenen Lamelle besteht. Die Achse des Axiallüfters und die Achse, die orthogonal durch das Zentrum der aus der Lamelle gebildeten Spirale verläuft, befinden sich in einer Flucht. Die Spirale liegt mit einer ihrer flachen Seiten auf einer Wärmeübertragungsplatte auf.
Durch die spiralförmige Ausführung des Kühlkörpers wird zwar eine große Wärmeübertragungsfläche erreicht, aufgrund seiner Anordnung auf der Wärmetauscherplatte kann der Kühlkörper jedoch nur ungenügend von Luft durchströmt werden.
In US 2002/0046826 A1 wird ein CPU-Kühler mit einem Axiallüfter und einem Kühlkörper gezeigt. Der Kühlkörper besteht aus einem mit einer wärmeübertragenden Flüssigkeit gefüllten Hohlkörper, an dessen Außenseite umlaufend und in gleichen Abständen eine Vielzahl von Kühlrippen angebracht ist. In Strömungsrichtung sind die Kühlrippen in oder entgegengesetzt zur Drehrichtung des Axiallüfters gebogen ausgeführt.
Aufgrund der Verwendung der wärmeübertragenden Flüssigkeit kann einerseits die Wärmeübertragung gesteigert werden, andererseits ist, sofern Kühlrippen eingesetzt werden, die in Strömungsrichtung eine Biegung in Drehrichtung des Axiallüfters aufweisen, eine Reduzierung der Schallentwicklung (Drallwirkung des Axiallüfters wird kompensiert) zu erwarten. Die beiden Ausgestaltungsmerkmale sind relativ aufwendig, die erzielten Wirkungen sind im Vergleich dazu gering.
In US 2006/0034694 A1 wird ein Radiallüfter gezeigt, dessen Laufrad sich aus einem Radiallaufrad und einem Axiallaufrad zusammensetzt. Das Radiallaufrad hat die Form eines Hohlzylinders, auf dessen Mantelflächen sich die Radialflügel befinden und dessen Höhe kleiner ist als sein Durchmesser. Das Axiallaufrad ist konzentrisch im Innern des Radiallaufrads angeordnet.
Mit dem Radiallüfter können zwar höhere Drücke und Wirkungsgrade bei gleichzeitiger Verringerung der Reibungsverluste sowie der abgestrahlten Schallleistung erzielt werden, aufgrund seines Aufbaus ist der Radiallüfter jedoch praktisch nicht als CPU-Kühler einsetzbar.
Die DE 295 05 830 U1 beschreibt eine Anordnung zur Kühlung von elektronischen Bauteilen, bestehend aus einem Kühlkörper mit einer Grundplatte und darauf angeordneten Kühlrippen und aus einem an dem Kühlkörper angeordneten Lüfter zum Erzeugen eines zumindest die Kühlrippen bestreichenden Luftstromes, wobei der Kühlkörper zur Halterung des Lüfters einen einstückigen, integralen Lageransatz aufweist, auf dem der Lüfter derart sitzt, dass der erzeugte Luftstrom auch den Lageransatz kühlt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen CPU-Kühler mit mindestens einem Kühlkörper und einem Ventilator zu finden, mit dem bei vorgegebenem Durchmesser des Ventilators die Kühlleistung erhöht und/oder die Intensität des abgestrahlten Schalls verringert wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 9.
Ausgegangen wird von einem CPU-Kühler mit einem Kühlkörper, der aus einem Trägerelement mit Kühlrippen sowie einem Anschlusselement für die thermische Anbindung an die CPU besteht, und einer Ventilatoreinheit, die sich aus einem Antrieb und mindestens einem Laufrad zusammensetzt.
Nach Maßgabe der Erfindung besteht das Laufrad aus einem Radiallaufrad, dessen eine offene Seite vollständig von einem Axiallaufrad überdeckt wird. Der Kühlkörper ragt mit seiner dem Trägerelement abgewandten Seite in das Radiallaufrad hinein, und zwar auf der zweiten offenen Seite des Radiallaufrads, d. h. derjenigen Seite, die nicht vom Axiallaufrad bedeckt wird.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die Fläche mit der das Anschlusselement auf der CPU aufsteht in ihrer Geometrie an die Oberfläche der CPU angepasst und die gegenüberliegende Seite des Anschlusselements ist mit der Grundfläche des Trägerelements des Kühlkörpers verbunden, das eine zylindrische oder parallelepipedische Geometrie besitzt. Am Trägerelement sind sternförmig umlaufend mehrere (üblicherweise 10 bis 20) distal von dessen Mantelfläche auskragende Kühlrippen befestigt, deren vom Trägerelement abgewandten Enden der Kühlrippen von einem mit dem Antrieb der Ventilatoreinheit verbundenen Radiallaufrad umgeben sind, dessen Rotationsachse mit der Längsachse des Trägerelements koaxial fluchtet.
Das Radiallaufrad besteht aus zwei ringförmigen Stirnelementen, die mittels mehrerer lamellenförmiger Radialflügel (üblicherweise 20 bis 30) verbunden sind. Die Anordnung der Stirnelemente und der Radialflügel hat somit die Form eines Käfigs mit der Geometrie eines Hohlzylinders. Das vom Anschlusselement weiter entfernte Stirnelement (im Folgenden: erstes Stirnelement) überragt den Kühlkörper um 0,5 bis 30 mm. An der Seite des ersten Stirnelements, an der keine Radialflügel befestigt sind (entspricht der Seite, die den angebrachten Radialflügeln gegenüberliegt) ist ein Axiallaufrad befestigt. Durch den Überstand des Radiallaufrads über den Kühlkörper ist sichergestellt, dass das Axiallaufrad frei drehen kann.
Der Durchmesser des Axiallaufrads ist wesentlich größer als seine Dicke; zudem weist es mehrere Axialflügel (üblicherweise 7 bis 9) auf und überdeckt das Stirnelement praktisch vollständig. Die Radial- und Axialflügel sind so gekrümmt, dass beim Betrieb des CPU-Kühlers das Axiallaufrad Luft längs des Kühlkörpers in Richtung der CPU (hin zum zweiten Stirnelement) bewegt, während das Radiallaufrads die Luft distal von der Mantelfläche des Trägerelements weg befördert. Die beiden Wirkungen überlagern sich, d. h., die Luft wird vom Axiallaufrad angesaugt sowie längs der Kühlrippen gedrückt und gleichzeitig zieht das Radiallaufrad (über seine gesamte Höhe, die bevorzugt der Höhe des Kühlkörpers plus dem Überstand von 0,5 bis 30 mm entspricht) die Luft nach außen und transportiert somit die Luft vom Kühlkörper weg.
Durch diese Anordnung des Kühlkörpers sowie des Radial- und des Axiallaufrads wird eine gute Anströmung der Kühlrippen und infolgedessen im Vergleich zu herkömmlichen CPU-Kühlern (mit gleichem Ventilatordurchmesser) eine nachhaltige Steigerung der Kühlleistung erreicht. Neben der Steigerung der Kühlleistung (unter Beibehaltung der Drehzahl) kann auch bei gleicher Kühlleistung die Drehzahl des Lüfters gesenkt und so die Schallabstrahlung verringert werden; möglich ist auch eine Kombination aus beidem.
In einer Ausführungsform sind die Kühlrippen sternförmig angeordnet und genauso lang wie das Trägerelement (d. h., die an die Mantelfläche des Trägerelements angrenzenden Seiten der Kühlrippen erstrecken sich über die gesamte Höhe der Mantelfläche). Die Kontur, welche durch die vom Trägerelement weg weisenden Enden (üblicherweise Kanten) der Kühlrippen gebildet wird, hat einen kreisrunden Querschnitt. Das Axiallaufrad weist eine ringförmige Nabe und einen konzentrisch zu dieser verlaufenden Begrenzungsring auf. Die Axialflügel sind sternförmig zwischen der Nabe und dem Begrenzungsring angeordnet.
Der Begrenzungsring des Axiallaufrads ist fest mit der vom Anschlusselement abgewandten Seite des ersten Stirnelements des Radiallaufrads (die Seite an der keine Radialflügel befestigt sind) verbunden. Dabei ist es strömungstechnisch besonders günstig, wenn die Verbindung luftdicht ausgeführt ist.
Hohe Kühlleistungen werden dann erreicht, wenn die Krümmung der Radialflügel in Richtung des zweiten Stirnelements stetig zunimmt. Bei einer konstanten Krümmung der Radialflügel würden im von der CPU abgewandten Bereich des Radiallaufrads vergleichsweise hohe, im zur CPU gewandten Bereich entsprechend kleine Volumenströme (radial vom Kühlkörper wegströmender Luft) auftreten. Durch die stetige Zunahme der Krümmung der Radialflügel werden die Luftströmungen im zur CPU gewandten Bereich erhöht. Die Zunahme der Krümmung ist so einzustellen, dass am gesamten Kühlkörper ein optimaler Wärmeübergang erreicht wird.
Eine weitere Erhöhung der Kühlleistung (bzw. Verringerung des abgestrahlten Schalls aufgrund einer Reduzierung der Drehzahlen) durch eine Vergrößerung der aktiven Fläche der Kühlrippen einerseits und eine Verringerung des Strömungswiderstands des Kühlkörpers andererseits ist mit Kühlrippen möglich, die einen längs der Mantelfläche des Trägerelements gekrümmten Verlauf zeigen, der dem gekrümmten Verlauf der Luftströmungen entspricht, der sich aufgrund der Drallwirkung des Axiallaufrads einstellt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der 1 bis 3 erläutert; hierzu zeigen in seitlicher Schnittdarstellung:
1 die Einzelteile eines CPU-Kühlers;
2 einen zusammengebauten CPU-Kühler.
Wie aus 1 ersichtlich, besteht der CPU-Kühler aus einem Kühlkörper 1, der aus einem Anschlusselement 2, einem zylindrischen Trägerelement 3 und sternförmig am Mantel des Trägerelements 3 befestigten, plattenförmigen Kühlrippen 4 aufgebaut ist, einem käfigförmigen Radiallaufrad 5 (mit der Geometrie eines Hohlzylinders), das ein erstes 6 und ein zweites 7 ringförmiges Stirnelement sowie die zwischen beiden Stirnelementen 6, 7 angeordneten, lamellenartigen Radialflügel 8 aufweist, und einem Axiallaufrad 9 mit der Geometrie einer kreisrunden Scheibe, das sich aus der ringförmigen Nabe 10, dem Begrenzungsring 11 sowie speichenartig zwischen der Nabe 10 und im Begrenzungsring 11 verlaufenden Axialflügeln 12 zusammensetzt.
Sowohl der Kühlkörper 1 als auch das Radial- 5 und Axiallaufrad 9 sind mit vergleichsweise vielen Kühlrippen 4 bzw. Flügeln 8, 12 ausgestattet. So verfügt der Kühlkörper 1 über 15 Kühlrippen 4, das Radiallaufrad 5 über 25 Radialflügel 8 und das Axiallaufrad 9 über 20 Axialflügel 12. Die Flügel 8, 12 der Laufräder 5, 9 sind zudem noch segmentiert.
Das Laufrad 13 setzt sich aus dem Radiallaufrad 5 und dem Axiallaufrad 9 zusammen. Die luftdichte Verbindung der beiden Laufräder 5, 9 erfolgt über die den Radialflügeln 8 abgewandte Seite des ersten Stirnelements 6 (des Radiallaufrads 5) und den Begrenzungsring 11 (des Axiallaufrads 9).
Wird das Laufrad 13 beim Betrieb des CPU-Kühlers mittels eines Antriebs (nicht dargestellt) in Rotation versetzt, saugt, wie aus den Pfeilen ersichtlich, das Axiallaufrad 9 Luft von oben an, und drückt diese ins Innere des Radiallaufrads 5. Die Krümmung der Radialflügel 8 nimmt von oben nach unten stetig zu, wodurch die Volumenströme der Luft, die durch das Radiallaufrad 5 vom Kühlkörper 1 weg nach außen befördert wird, so eingestellt werden, dass ein optimaler Wärmeübergang am Kühlkörper 1 erreicht wird.
Die Kühlrippen 4 sind in Strömungsrichtung gebogen, sodass sie die aufgrund der Drallwirkung des Axiallaufrads 9 schraubenförmig verlaufende Luftströmung mit geringen Verlusten führen.
Bezugszeichenliste

1: Kühlkörper
2: Anschlusselement
3: Trägerelement
4: Kühlrippe
5: Radiallaufrad
6: erstes Stirnelement
7: zweites Stirnelement
8: Radialflügel
9: Axiallaufrad
10: Nabe
11: Begrenzungsring
12: Axialflügel
13: Laufrad

Claims

CPU-Kühler mit einem Kühlkörper (1), der aus einem Trägerelement (3) mit Kühlrippen (4) sowie einem Anschlusselement (2) für die thermische Anbindung an die CPU besteht, und einer Ventilatoreinheit, die sich aus einem Antrieb und mindestens einem Laufrad (13) zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (13) aus einem Radiallaufrad (5) besteht, dessen eine offene Seite vollständig von einem Axiallaufrad (9) überdeckt wird, und der Kühlkörper (1) mit der dem Trägerelement (3) abgewandten Seite in das Radiallaufrad (5) hineinragt.
CPU-Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der CPU aufstehende Fläche des Anschlusselements (2) in ihrer Geometrie an die Oberfläche der CPU angepasst ist, und die gegenüberliegende Fläche des Anschlusselements (2) mit der Grundfläche des Trägerelements (3) des Kühlkörpers (1), das eine zylindrische oder parallelepipedische Geometrie besitzt, verbunden ist, wobei an dem Trägerelement (3) umlaufend mehrere distal von dessen Mantelfläche auskragende Kühlrippen (4) befestigt sind, und die vom Trägerelement (3) abgewandten Enden der Kühlrippen (4) von einem mit dem Antrieb der Ventilatoreinheit verbundenen Radiallaufrad (5), dessen Rotationsachse mit der Längsachse des Trägerelements (3) koaxial fluchtet, umgeben sind, wobei das Radiallaufrad (5) aus zwei ringförmigen Stirnelementen (6, 7) besteht, die mittels mehrerer lamellenförmiger Radialflügel (8) derart verbunden sind, dass durch die Stirnelemente (6, 7) und die Radialflügel (8) die Geometrie eines Hohlzylinders gebildet ist, wobei das vom Anschlusselement (2) weiter entfernte erste Stirnelement (6) des Radiallaufrads (5) den Kühlkörper (1) um 0,5 bis 30 mm überragt, und an der Seite des ersten Stirnelements (6), die der Seite mit den angebrachten Radialflügeln (8) gegenüberliegt, ein Axiallaufrad (9) mit mehreren Axialflügeln (12) befestigt ist, dessen Durchmesser wesentlich größer als seine Dicke ist und welches das erste Stirnelement (6) vollständig überdeckt, wobei die Radial- (8) und Axialflügel (12) derart gekrümmt sind, dass beim bestimmungsgemäßen Gebrauch mittels des Axiallaufrads (9) Luft längs des Kühlkörpers (1) hin zum zweiten Stirnelement (7) und mittels des Radiallaufrads (5) Luft distal von der Mantelfläche des Trägerelements (3) weg bewegt wird.
CPU-Kühler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) 10 bis 20 Kühlrippen (4), das Radiallaufrad (5) 20 bis 30 Radialflügel (8) und das Axiallaufrad (9) 15 bis 25 Axialflügel (12) aufweist.
CPU-Kühler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (4) plattenförmig ausgeformt und sternförmig am Trägerelement (3) angeordnet sind, wobei sich die an die Mantelfläche des Trägerelements (3) angrenzenden Seiten der Kühlrippen (4) über die gesamte Höhe der Mantelfläche des Trägerelements (3) erstrecken, und der Querschnitt der Kontur, die von den vom Trägerelement (3) abgewandten Seiten der Kühlrippen (4) definiert wird, einen kreisrunden Querschnitt hat.
CPU-Kühler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Radiallaufrads (5) der Höhe der Mantelfläche des Trägerelements (3) plus der Höhe des Überstands des Radiallaufrads (5) über den Kühlkörper (1) entspricht.
CPU-Kühler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallaufrad (9) eine ringförmigen Nabe (10) und einen konzentrisch zu dieser verlaufenden Begrenzungsring (11) aufweist, zwischen denen die Axialflügel (12) angeordnet sind, wobei der Begrenzungsring (11) des Axiallaufrads (9) fest mit der vom Anschlusselement (2) abgewandten Seite des ersten Stirnelements (6) des Radiallaufrads (5) verbunden ist.
CPU-Kühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Axiallaufrad (5) und Radiallaufrad (9) luftdicht ausgeführt ist.
CPU-Kühler nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (4) in Strömungsrichtung einen derart gekrümmten Verlauf zeigen, dass sie die aufgrund der Drallwirkung des Axiallaufrads 9 schraubenförmig verlaufende Luftströmung nahezu verlustfrei führen.
CPU-Kühler nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der Volumenströme der im Bereich zwischen dem ersten (6) und dem zweiten Stirnelement (7) des Radiallaufrads (5) radial vom Kühlkörper (1) wegströmenden Luft, die Krümmung der Radialflügel (8) in Richtung des zweiten Stirnelements (7) stetig zunimmt.