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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen Wärme erzeugender Komponenten in einem Computersystem, wobei die Temperatur im Computersystem überwacht wird und zumindest ein Lüfter in Abhängigkeit der Temperatur angesteuert werden kann zum Erzeugen eines Kühlluftstroms im Computersystem.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Computersystem, welches nach einem derartigen Verfahren betrieben wird.
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Computersysteme, welche durch einen oder mehrere Lüfter gekühlt werden, sind vielfach verbreitet. Die Lüfter dienen zur Kühlung Wärme erzeugender Komponenten im Computersystem, so dass die Abwärme der Komponenten aus dem Computersystem an die Umgebung abgeführt werden kann. Die Lüfter umfassen in der Regel Axial- oder Radiallüftersysteme, wobei Lüfterräder elektromotorisch angetrieben werden zur Erzeugung des Kühlluftstromes. Durch Verändern der Drehzahl eines Lüfters kann der Luftdurchsatz sowie die Stärke des Kühlluftstroms und infolgedessen die Intensität der Wärmeabfuhr beeinflusst werden. Die Lüfter werden in Abhängigkeit der Leistung des Computersystems, der erzeugten Abwärme sowie der daraus resultierenden Temperaturänderungen im Computersystem auf vorbestimmte Drehzahlen geregelt.
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Bei hohen Temperaturen im Computersystem wird ein Lüfter auf eine hohe Drehzahl geregelt zur schnellen und effizienten Wärmeabfuhr. In einem niedrigen Temperaturbereich dagegen, während eines Niedriglastbetriebes, wird der Lüfter je nach Anforderung auf eine niedrigere Drehzahl oder sogar eine Minimaldrehzahl geregelt.
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Der Nachteil derartiger Lösungen besteht jedoch darin, dass auch im Niedriglastbetrieb selbst bei einer Minimaldrehzahl eines Lüfters ein Lüftergeräusch vorhanden ist. Dies kann insbesondere in einer ruhigen Büroumgebung ein Störgeräusch darstellen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie ein Computersystem der eingangs genannten Art zu beschreiben, wodurch eine Geräuschreduzierung erzielbar ist und dennoch ein stabiler Betrieb des Computersystems gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass während des Betriebs des Computersystems in einem ersten, niedrigen Temperaturbereich bis zu einem vorbestimmten Temperaturschwellwert der zumindest eine Lüfter abgeschaltet ist und in einem zweiten, hohen Temperaturbereich ab dem Temperaturschwellwert der Lüfter zumindest auf eine Minimaldrehzahl eingeschaltet wird. Im zweiten Temperaturbereich wird die Drehzahl des Lüfters zwischen der Minimaldrehzahl und einer Maximaldrehzahl in Abhängigkeit der Temperatur eingestellt.
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Dies hat den Vorteil, dass der Lüfter in einem niedrigen Temperaturbereich während eines Niedriglastbetriebs vollständig abgeschaltet werden kann, so dass in diesem Temperaturbereich keinerlei Lüftergeräusch vorhanden ist. Das Computersystem verhält sich in diesem Temperaturbereich bis auf etwaige Geräusche von rotierenden Laufwerken völlig geräuschlos. Dabei wird ausgenutzt, dass die Abwärme von Wärme erzeugenden Komponenten im Computersystem in dem niedrigen Temperaturbereich gering ist bzw. auf andere Art und Weise passiv abgeführt werden kann, so dass ein Erzeugen eines Kühlluftstroms über den Lüfter nicht notwendig ist. Eine passive Wärmeabfuhr wird weiter unten näher erläutert.
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Steigt die Betriebstemperatur des Computersystems aufgrund eines erhöhten Lastbetriebs bei erhöhter Abwärme von Wärme erzeugenden Komponenten im Computersystem über einen vorbestimmten Temperaturschwellwert an, so wird der Lüfter auf eine Minimaldrehzahl einschaltet. Durch die minimale Drehzahl des Lüfters wird ein minimaler Kühlluftstrom des Lüfters im Computersystem erreicht, so dass Abwärme aus dem Computersystem über diesen Kühlluftstrom abtransportiert werden kann. Je nach Anforderung kann der Lüfter in Abhängigkeit der Temperatur auf eine beliebige Drehzahl zwischen der Minimaldrehzahl und der Maximaldrehzahl geregelt werden, so dass auch eine hohe Abwärme bei einem hohen Leistungsverbrauch effizient abgeführt werden kann.
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Bevorzugt können mehrere Lüfter im Computersystem in Abhängigkeit der Temperatur angesteuert werden. Im ersten Temperaturbereich sind alle Lüfter abgeschaltet. Das bedeutet, dass nicht nur Lüfter zur Kühlung von Wärme erzeugenden Komponenten auf einem Systemboard im Computersystem abgeschaltet sind, sondern auch sämtliche weitere Lüfter, zum Beispiel Gehäuselüfter oder Lüfter in einer Stromversorgungseinheit, insbesondere einem Netzteil, des Computersystems abgeschaltet sind. Wesentlich ist, dass im ersten Temperaturbereich kein Lüfter dreht, so dass die Drehzahl aller Lüfter in diesem Temperaturbereich auf Null ist.
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Vorzugsweise wird im zweiten Temperaturbereich die Drehzahl des oder der Lüfter anhand einer Steuerfunktion linear zur Temperatur eingestellt. Das bedeutet, dass sich eine Änderung der Drehzahl linear zu einer Änderung der Temperatur verhält. Es ist jedoch auch denkbar, ein nicht-lineares Verhältnis zwischen der Temperatur und der Drehzahl eines Lüfters einzurichten. So könnte sich eine Drehzahländerung beispielsweise exponentiell oder logarithmisch zu einer Temperaturänderung verhalten. Eine exponentielle Änderung der Drehzahl hat den Vorteil, dass mit erhöhter Temperatur eine immer höhere Drehzahl eingestellt wird. Dies erlaubt gerade bei sehr hohen Temperaturen eine immer stärkere Abfuhr der Wärme im Computersystem. Eine logarithmische Änderung der Drehzahl hat jedoch den Vorteil, dass bei Überschreiten des Temperaturschwellwerts im Bereich des Temperaturschwellwerts mit steigender Temperatur eine starke Drehzahländerung vorgenommen wird, so dass bei Überschreiten des Temperaturschwellwerts sofort mit einer starken Drehzahländerung reagiert wird, um das Computersystem beispielsweise unmittelbar bei Einschalten eines Lüfters effizient zu kühlen. Je nach Anforderung an das Leistungsverhalten und die Kühlwirkung können somit unterschiedliche Steuerfunktionen zur Drehzahlsteuerung herangezogen werden.
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Zur Temperaturüberwachung wird bevorzugt ein temperaturempfindliches Bauteil herangezogen. Die Temperatur wird über das temperaturempfindliche Bauteil gemessen, wobei ein von der Temperatur abhängiges elektrisches Signal vom temperaturempfindlichen Bauteil geliefert wird. Das temperaturempfindliche Bauteil kann beispielsweise ein Temperatursensor sein, welcher als temperaturabhängiger elektrischer Widerstand ausgeführt ist. Der Widerstand kann dabei derart ausgelegt sein, dass sein Widerstandswert bei steigender Temperatur zunimmt (PTC = positive temperature coefficient) oder dass sein Widerstandswert bei steigender Temperatur abnimmt (NTC = negative temperature coefficient). Durch eine Temperaturänderung wird der Widerstandswert des elektrischen Widerstands verändert, so dass ein unterschiedliches Strom- und Spannungsverhalten des Widerstands messbar ist.
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Es ist jedoch auch denkbar, das temperaturempfindliche Bauteil als Halbleiter-Temperatursensor einzurichten. So könnte das temperaturempfindliche Bauteil beispielsweise eine pn-Diode sein. Durch temperaturabhängige Verteilung der freien Ladungsträger sowie veränderte Potentialverläufe im pn-Bereich des Bauelements aufgrund von Temperaturänderungen ändert sich auch das Strom- und Spannungsverhalten des Halbleiters und liefert eine messbare elektrische Größe.
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Aufgrund der Temperaturüberwachung über das temperaturempfindliche Bauteil ist es möglich, eine Lüftersteuerung in Abhängigkeit der Temperatur entsprechend der erläuterten Art und Weise durchzuführen.
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Besonders vorteilhaft wird das Computersystem im ersten Temperaturbereich durch passive Wärmeabgabe an die Umgebung gekühlt. Die passive Wärmeabgabe kann über zumindest einen Kühlkörper und/oder zumindest ein Wärmeleitrohr erfolgen, welche mit einer oder mehreren Wärme erzeugenden Komponente im Computersystem thermisch gekoppelt sind.
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Ein Computersystem wird somit im ersten Temperaturbereich, in dem sämtliche Lüfter stillstehen, passiv gekühlt, wobei die Abwärme von den Wärme erzeugenden Komponenten durch thermische Kopplung mit der Umgebung des Computersystems abgeführt wird. Durch effiziente passive Wärmeabgabe im niedrigen Temperaturbereich ist es möglich, die Lüfter in diesem Temperaturbereich bis zu einem Temperaturschwellwert gänzlich abzuschalten. Somit vereint das erläuterte Verfahren eine passive Kühlung des Computersystems im niedrigen Temperaturbereich bei vollständig abgeschalteten Lüftern mit einer aktiven Kühltechnik über Lüfter, welche jedoch erst bei Überschreiten des Temperaturschwellwerts zumindest auf eine Minimaldrehzahl eingeschaltet werden.
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Es ist denkbar, einen Übergang zwischen dem ersten niedrigen und dem zweiten hohen Temperaturbereich derart getriggert über ein Hystereseverhalten einzurichten, das in einem vorbestimmten Grenzbereich um den Temperaturschwellwert herum eine stabile Schaltfunktion zwischen den beiden Temperaturbereichen erzeugt ist, so dass ein Übergang des Systemsverhaltens zwischen den beiden Temperaturbereichen erst bei signifikanter Temperaturänderung auftritt. Dies vermeidet, dass die Lüfter im Computersystem ständig wechselnd ein- und abgeschaltet werden, wenn die Temperatur im Computersystem nur minimal um den Temperaturschwellwert schwankt.
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In einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe vorteilhaft durch ein Computersystem gelöst, welches nach einem Verfahren der erläuterten Art betrieben wird. Ein derartiges Computersystem hat den Vorteil, dass in einem niedrigen Temperaturbereich sämtliche Lüfter abgeschaltet sind, wodurch ein Betriebsgeräusch des Computersystems in diesem Temperaturbereich stark reduziert ist. Erst bei Überschreiten eines Temperaturschwellwerts sind die Lüfter des Computersystems aktiv. Ein derartiges Computersystem erlaubt nicht nur eine reduzierte Geräuschentwicklung, insbesondere in einem ruhigen Bürobetrieb, sondern reduziert zudem auch die Leistungsaufnahme für das Kühlsystem, da im niedrigen Temperaturbereich sämtliche aktive Kühlkomponenten, wie die Lüfter oder eine Lüftersteuereinheit inaktiv sind.
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Besonders vorteilhaft weist das Computersystem zumindest einen Kühlkörper und/oder zumindest ein Wärmeleitrohr auf, welche mit einer oder mehreren Wärme erzeugenden Komponenten im Computersystem thermisch gekoppelt und derart dimensioniert sind, dass sie während des Betriebs des Computersystems in einem ersten Temperaturbereich bis zu einem vorbestimmten Temperaturschwellwert eine passive Wärmeabgabe an die Umgebung erlauben. Somit ist ein sicherer Betrieb des Computersystems gemäß einem Verfahren der genannten Art sichergestellt.
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Bei effizienter Auslegung des Computersystems kann im niedrigen Temperaturbereich insbesondere bei Desktop-PCs oder Workstations eine Verlustleistung bis etwa 50 W durchaus rein passiv gekühlt werden, wobei ein Temperaturschwellwert von etwa 26°C definiert ist. Über diesem Schwellwert erzeugte Abwärme bei entsprechendem Leistungsverhalten über 50 W wird durch zusätzlich eingeschaltete Lüfter bei entsprechender Drehzahl aktiv herabgekühlt.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen sowie in der nachfolgenden Figurenbeschreibung offenbart.
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Die Erfindung wird anhand zweier Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematisierte Darstellung einer Ausführungsform eines Computersystems und
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2 ein Diagramm einer Steuerfunktion für die Durchführung eines Verfahrens zur Kühlung Wärme erzeugender Komponenten im Computersystem.
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1 zeigt in schematisierter Darstellung ein Computersystem 2 mit einem Chassis 11, wobei im Chassis 11 funktional vorbestimmte Komponenten angeordnet sind.
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Insbesondere weist das Computersystem 2 mehrere Wärme erzeugende Komponenten 1a und 1b auf, welche beispielsweise Leistungsbauelemente wie Prozessoren, integrierte Bausteine, Spannungswandler oder ähnliches darstellen.
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Insbesondere ist die Komponente 1a beispielhaft über eine thermische Kopplung 9b mit einer Außenwand des Chassis 11 derart gekoppelt, dass ein Wärmeübergang von der Wärme erzeugenden Komponente 1a an einen Kühlkörper 10 erfolgen kann, welcher an der Außenwand des Chassis 11 angeordnet ist. Durch die Abwärme der Komponente 1a werden Kühlrippen des Kühlkörpers 10 erwärmt, wobei durch Luftströmung und Konvektion am Kühlkörper 10 die Abwärme an die Umgebungsluft abgeführt werden kann. Es ist auch denkbar, im Chassis 11 Lüftungsöffnungen derart vorzusehen, dass sich ein passiver Luftstrom durch das Chassis 11 entlang der Komponenten 1a und 1b zu deren Kühlung einstellt. Somit kann die Komponente 1a und auch die Komponente 1b passiv gekühlt werden.
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Ferner ist im Chassis 11 ein Lüfter 3 angeordnet mit einem Lüfterrad zur Erzeugung eines Kühlluftstroms durch den Lüfter 3. Über den Lüfter 3 kann somit eine aktive Kühlung des Computersystems 2, insbesondere der beiden Komponenten 1a und 1b erfolgen.
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Zudem ist im Computersystem 2 eine Temperaturüberwachung eingerichtet. An der Wärme erzeugenden Komponente 1a ist, ebenfalls über eine thermische Kopplung 9a, ein temperaturempfindliches Bauteil 4a in thermischen Kontakt mit der Wärme erzeugenden Komponente 1a eingerichtet. Das temperaturempfindliche Bauteil 4a wandelt eine Temperatur der Komponente 1a in eine elektrische Größe oder ein elektrisches Signal um. Das elektrische Signal kann über eine Messsignalleitung 7a einer Überwachungseinheit 5 zugeführt werden.
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Ferner ist in der Nähe der Wärme erzeugenden Komponente 1b ebenfalls ein temperaturempfindliches Bauteil 4b angeordnet zur Überwachung der Temperatur der Komponente 1b. Auch in diesem Fall erzeugt das temperaturempfindliche Bauteil 4b eine elektrische Größe oder ein elektrisches Signal in Abhängigkeit der erfassten Temperatur, wobei das elektrische Signal über die Messsignalleitung 7b der Überwachungseinheit 5 zugeführt wird.
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Das Computersystem 2 kann nur ein temperaturempfindliches Bauteil 4a oder optional ein zusätzliches temperaturempfindliches Bauteil 4b (wie dargestellt) oder weitere zusätzliche temperaturempfindliche Bauteile (nicht dargestellt) enthalten. Weitere temperaturempfindliche Bauteile könnten beispielsweise an einer Stromversorgung (nicht dargestellt) des Computersystems 2 angeordnet sein.
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Die variable Gestaltung der Temperaturüberwachung ist durch gestrichelte Ausführung der Messsignalleitung 7b schematisiert dargestellt.
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Alle temperaturempfindlichen Bauteile 4a, 4b können auf unterschiedliche Art und Weise ausgeführt sein. Hier bieten sich insbesondere PTC- oder NTC-Widerstandssensoren in Form von Kaltleiter- oder Heißleiter-Sensoren an. Es ist jedoch auch denkbar, Halbleiter-Temperatursensoren, insbesondere pn-Dioden, vorzusehen.
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Wie bereits erläutert dient eine Überwachungseinheit 5 zur Auswertung der gemessenen Temperaturen an den Wärme erzeugenden Komponenten 1a und 1b im Computersystem 2. Die Überwachungseinheit 5 kann über eine Steuersignalleitung 8a einer Lüftersteuereinheit 6 entsprechende Steuersignale mitteilen, welche in der Lüftersteuereinheit 6 in explizite Steuersignale für den Lüfter 3 umgewandelt werden. Die Steuersignale zur Steuerung des Lüfters 3 werden über eine Steuersignalleitung 8b von der Lüftersteuereinheit 6 an den Lüfter 3 übermittelt.
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Beispielsweise könnte eine Temperaturänderung im Computersystem 2 über die Überwachungseinheit 5 erfasst und ein entsprechendes Steuersignal an die Lüftersteuereinheit 6 übergeben werden. Die Lüftersteuereinheit 6 erzeugt daraufhin beispielsweise ein verändertes PWM-Steuersignal (PWM = Pulsweitenmodulation) derart, dass der Elektromotor im Lüfter 3 seine Drehzahl ändert. Auf diese Weise kann auf eine Temperaturänderung im Computersystem 2, insbesondere an den Wärme erzeugenden Komponenten 1a und 1b durch Veränderung der Drehzahl des Lüfters 3 reagiert werden. Eine Veränderung der Drehzahl des Lüfters 3 erzeugt infolgedessen einen veränderten Kühlluftstrom im Computersystem 2.
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Die Rotation des Lüfters 3 in einer vorbestimmten Drehzahl erzeugt ein Lüftergeräusch im Chassis 11 des Computersystems 2, welches insbesondere in einer ruhigen Büroumgebung ein Störgeräusch darstellen kann. Somit ist es vorteilhaft, ein derartiges Lüftergeräusch soweit wie möglich zu unterbinden.
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In 2 ist schematisiert ein Diagramm zur vorteilhaften Steuerung eines Lüfters 3 zur Geräuschreduzierung dargestellt.
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Das Diagramm stellt auf der X-Achse eine Temperatur T dar, welche sich in einem Computersystem 2 gemäß 1 einstellt. Auf der Y-Achse ist schematisiert eine Steuerfunktion f(T) in Abhängigkeit der Temperatur T angetragen. Die Steuerfunktion f(T) besitzt Werte, welche sich in einer Drehzahl eines Lüfters 3 gemäß 1 äußern. Insbesondere beschreibt ein Wert Fan-OFF in 2 einen gänzlich abgeschalteten Zustand eines Lüfters 3. Ein Wert Fan-Min beschreibt eine Minimaldrehzahl des Lüfters 3, während ein Wert Fan-Full eine Maximaldrehzahl des Lüfters 3 darstellt.
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Ein Verfahren zur Steuerung des Lüfters 3 sieht nun vor, den Lüfter 3 in einem ersten niedrigen Temperaturbereich I gänzlich abzuschalten. Im Temperaturbereich I liegt somit lediglich ein Wert Fan-OFF, also ein abgeschalteter Zustand des Lüfters 3 bei Drehzahl Null vor.
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Erst in einem zweiten hohen Temperaturbereich II wird der Lüfter 3 eingeschaltet, zumindest auf einen Wert einer Minimaldrehzahl Fan-Min. Der Übergang vom ersten Temperaturbereich I auf den zweiten Temperaturbereich II ist durch einen vorbestimmten Temperaturschwellwert Ts definiert. Der Temperaturschwellwert Ts kann beispielsweise je nach Auslegung des Computersystems 2 bei 26°C liegen. Liegt die Temperatur T des Computersystems 2 unterhalb des Temperaturschwellwerts Ts, befindet sich das Computersystem 2 im ersten Temperaturbereich I, wobei der Lüfter 3 abgeschaltet ist (Fan-OFF).
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Überschreitet die Temperatur T den Temperaturschwellwert Ts in den höheren Temperaturbereich II, so wird der Lüfter 3 eingeschaltet und dreht zumindest mit der Minimaldrehzahl Fan-Min. Im Temperaturbereich II kann dann die Drehzahl des Lüfters 3 über eine lineare Steuerfunktion f(T) zwischen der Minimaldrehzahl Fan-Min und der Maximaldrehzahl Fan-Full geregelt werden. Gemäß 2 verhält sich eine Drehzahländerung linear zu einer Temperaturänderung. Steigt eine Abwärme im zweiten Temperaturbereich II an, so wird folglich auch die Drehzahl des Lüfters 3 über die Steuerfunktion f(T) entsprechend nachgeregelt. Bei maximal zu erwartender Abwärme dreht der Lüfter 3 mit der Maximaldrehzahl Fan-Full.
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Das in 2 dargestellte Diagramm der Steuerfunktion f(T) kann so oder in veränderter Form für verschiedene Lüfter 3 in einem Computersystem 2 eingerichtet sein. So können verschiedenste Lüfter 3 im Computersystem 2 entsprechend einer zugehörigen Steuerfunktion f(T) angesteuert werden. Entscheidend ist jedoch, dass im ersten Temperaturbereich I gemäß 2 sämtliche Lüfter 3, insbesondere auch Lüfter in einer Stromversorgung des Computersystems 2, abgeschaltet sind. Im ersten Temperaturbereich I erfolgt somit eine Kühlung des Computersystems 2 gänzlich über eine passive Kühlung, wie sie beispielhaft in 1 über eine thermische Kopplung der Wärme erzeugenden Komponente 1a mit einem Kühlkörper 10 an der Außenwand des Chassis 11 erläutert wurde.
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Die vorgestellte Lösung hat den Vorteil, dass bei niedrigen Temperaturen ein Computersystem passiv gekühlt werden kann, wobei sämtliche Lüfter im System abgeschaltet sind. In einem Niedriglastbetrieb wird eine Geräuschentwicklung, neben etwaigen Geräuschen rotierender Teile von optischen Laufwerken, stark reduziert. Erst in einem höheren Temperaturbereich eines erhöhten Lastbetriebs werden ein oder mehrere Lüfter über eine Steuerfunktion f(T) gemäß 2 eingeschaltet und deren Drehzahl entsprechend der erfassten Temperatur T eingeregelt.
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Die dargestellten Ausführungsformen aller Komponenten sind lediglich beispielhaft. Insbesondere die Steuerfunktion f(T) gemäß 2 kann auf unterschiedliche Weise ausgeführt sein. Die Kennlinie f(T) kann im zweiten Temperaturbereich II linear, exponentiell, logarithmisch oder auf andere Weise verlaufen.
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Bezugszeichenliste
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- 1a, 1b
- Wärme erzeugende Komponente
- 2
- Computersystem
- 3
- Lüfter
- 4a, 4b
- Temperaturempfindliches Bauteil
- 5
- Überwachungseinheit
- 6
- Lüftersteuereinheit
- 7a, 7b
- Messsignalleitung
- 8a, 8b
- Steuersignalleitung
- 9a, 9b
- Thermische Kopplung
- 10
- Kühlkörper
- 11
- Chassis des Computersystems
- Fan-OFF
- Abgeschalteter Zustand des Lüfters
- Fan-Min
- Minimaldrehzahl des Lüfters
- Fan-Full
- Maximaldrehzahl des Lüfters
- T
- Temperatur
- Ts
- Temperaturschwellwert
- f(T)
- Steuerfunktion des Lüfters
- I
- Niedriger Temperaturbereich
- II
- Hoher Temperaturbereich
