DE102017003890A1

DE102017003890A1 - Geregelte Kühlung von Mikroprozessoren und/oder elektronischen Bauteilen mittels Peltier-Element

Info

Publication number: DE102017003890A1
Application number: DE102017003890.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Lautenbacher Daniel De
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2017-04-22
Publication date: 2017-10-26
Also published as: DE202016002678U1

Abstract

Hauptanspruch: Ein Kühlsystem mit einem Peltier-Element für elektronische Datenverarbeitungsanlagen wie etwa PCs, Workstations, Server und ähnliche Systeme sowie deren Komponenten wie etwa Prozessoren bzw. CPUs, Grafikkarten, Chipsätze, Festplatten und Solid-State-Drives, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltier-Element (2) die benötigte Kälte für das zu kühlende Medium (1) erzeugt, dieses kühlt das zu kühlende Medium. Ein Temperatursensor (3) ermittelt die Temperatur des zu kühlenden Mediums (1). Eine elektronische und/oder programmierbare Regelung (5) senkt die elektrische Leistung – die dem Peltier-Element zugeführt wird – bei Erreichen bestimmter Temperaturen des zu kühlenden Mediums. Die warme Oberseite des Peltier-Elements wird durch einen anderen Kühlkörper/ein anderes Kühlsystem (4) gekühlt.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der regelbaren Kühlsysteme basierend auf einem Peltier-Element, insbesondere für elektronische Datenverarbeitungsanlagen wie etwa PCs, Workstations, Server und ähnliche Systeme sowie deren Komponenten wie etwa Prozessoren bzw. CPUs, Grafikkarten, Chipsätze, Festplatten und Solid-State-Drives nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
Der aktuelle Stand der Technik lässt den Einsatz von Peltier-Elementen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches, in der Praxis, aufgrund der nachfolgenden Probleme nicht zu. Nach dem aktuellen Stand der Technik werden zur Kühlung von Geräten/Bauteilen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches hauptsächlich passive Kühlkörper, Wasserkühlungen, Luftkühlungen und Kombinationen hieraus eingesetzt. Jedoch bieten diese Arten der Kühlung nur eine begrenzte Leistungs-/Kühlfähigkeit im Vergleich zu einer Kombination mit einem Peltier-Element.
Ein Problem bei der Kühlung mit Peltier-Elementen beim heutigen Stand der Technik, entsteht durch eine ungenügende Kühlung der erwärmten Seite des Peltier-Elementes. Dies ist etwa der Fall wenn auf das zu kühlende Medium ein passiver Kühlkörper montiert wird und der passive Kühlkörper durch das Peltier-Element gekühlt werden soll. Durch die Stromzufuhr zum Peltier-Element sowie der Wärmezufuhr des zu kühlenden Mediums, erwärmt sich die Oberseite des Peltier-Elementes bis entweder die Kühlleistung an der unteren kalten Seiten des Peltier-Elementes abnimmt oder die kalte Seite des Peltier-Elementes durch die Erwärmung der Unterseite, das Medium nicht weiter kühlen kann. Dieses Problem führt wiederum zu einer Überhitzung oder unzureichenden Kühlung des zu kühlenden Mediums und/oder zur Zerstörung des Peltier-Elementes selbst.
Ein weiteres Problem bei der Kühlung mittels eines Peltier-Elementes bei dem heutigen Stand der Technik ergibt sich beim Einsatz eines Peltier-Elementes mit Abschaltautomatik oder der Verwendung von Kälte- sowie Hitzetanks die über eine Kältebrücke mit dem Peltier-Element sowie der CPU verbunden sind. Durch das Abschalten des Peltier-Elementes beim Erreichen einer Zieltemperatur, kann die gespeicherte Wärme der/des Hitzetank/s und/oder die Restwärme der oberen, warmen Seite des Peltier-Elementes zu einer unmittelbaren Erhitzung der unteren, kälteren Seite des Peltier-Elementes führen. Durch die Erhitzung des Peltiers-Elementes als Ganzes wird wiederrum das zu kühlende Medium erwärmt. Dies führt dazu, dass das Peltier-Element sich fortlaufend in kurzen Abständen Ein-/und Ausschalten würde, dies führt wiederrum dazu, dass sich die Temperatur an der oberen, warmen Seite des Peltier-Elements fortlaufend erhöht und letztendlich zu einer Zerstörung des Peltier-Elements oder angrenzender Komponenten führen könnte. Im Übrigen erhöht sich der mittel- und langfristige Stromverbrauch, da die benötigte kurzfristige Energie (in Form von elektrischer Leistung) zur Kühlung der unteren Seite des Peltiers-Elementes, für ein erwärmtes Peltier-Element höher ist. Im Übrigen führen starke Spannungsschwankungen zu einer überhöhten Inanspruchnahme der stromversorgenden Elektrik und folglich zu einem kürzeren Lebenszyklus der selbigen stromversorgenden Elektrik. Weiter führen starke Spannungsschwankungen zu schwankenden EM-Feldern, die die Funktionsfähigkeit der sich in der unmittelbaren Nähe befindlichen Komponenten, beeinträchtigen könnten.
Ein weiteres Problem bei der Kühlung mittels eines Peltier-Elementes bei dem heutigen Stand der Technik, ergibt sich durch die ungeregelte Kühlleistung des Peltier-Elementes. Eine zu hohe Kühlleistung, insbesondere ein Unterschreiten von etwa 3 Grad Celsius, kann zur Bildung von Frost/Eis/Kondenswasser führen. Dies(es) wiederrum kann zu einem elektrischen Kurzschluss bei und/oder in der Nähe des zu kühlenden Mediums führen. Die Abschaltung des Systems des zu kühlenden Mediums kann hierbei zu einem Schmelzen des sich gebildeten Eises führen, was wiederrum zu einem Kurzschluss durch Standby-Strom führen kann. Dieses Problem führt insbesondere bei Hochleistungsprozessoren zur Nichtverwendung von Peltier-Elementen zur Kühlung der selbigen.
Eine Lösung bietet die nachfolgende Erfindung, die aufgrund der folgenden Beschreibung ersichtlich wird.
1 zeigt eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Kühlsystems.
2 zeigt ein veranschaulichendes Beispiel des erfindungsgemäßen Kühlsystems.
Das Peltier-Element (2) erzeugt die benötigte Kälte für das zu kühlende Medium (1), dieses kühlt folglich das zu kühlende Medium. Ein Temperatursensor (3) ermittelt die Temperatur des zu kühlenden Mediums (1). Eine elektronische und/oder programmierbare Regelung (5) senkt die Leistung (Spannung/Stromstärke) die dem Peltier-Element zugeführt wird bei Erreichen bestimmter Temperaturen des zu kühlenden Mediums. Hierdurch sinkt die Kühlleistung des Peltier-Elements, gleichzeitig übersteigt die Kühlleistung des Peltier-Elements nie den benötigten Bedarf.
Die warme Oberseite des Peltier-Elements wird durch einen anderen Kühlkörper/ein anderes Kühlsystem (4) gekühlt.
Unter einem Peltier-Element ist ein elektronisches Bauelement zu verstehen, das auf dem nach Jean Peltier benannten Peltiereffekt basiert.
Ein Peltier-Element wird auch als Wärmepumpe bezeichnet. Ein Peltier-Element zeichnet sich insbesondere durch eine kalte und eine warme Seite mit einem Temperaturunterschied aus. Der Temperaturunterschied zwischen beiden Seiten beträgt in der Regel bis zu 60 Kelvin, kann jedoch variieren.
Auch wird ein Peltier-Element international gebräuchlich als „thermoelectric cooler” bzw. „TEC” bezeichnet.
Ein Vorteil ergibt sich beim Einsatz einer nach dem heutigen Stand der Technik bereits bekannten Wasserkühlung, an der oberen warmen Seite des Peltier-Elementes.
Ein Vorteil ergibt sich beim Einsatz einer nach dem heutigen Stand der Technik bereits bekannten passiven Kühlung mittels eines Kühlkörpers, an der oberen warmen Seite des Peltier-Elementes.
Ein Vorteil ergibt sich beim Einsatz einer nach dem heutigen Stand der Technik bereits bekannten Kombination eines passiven Kühlkörpers und eines Lüfters zur Kühlung, an der oberen warmen Seite des Peltier-Elementes.
Ein Vorteil ergibt sich beim Einsatz einer nach dem heutigen Stand der Technik bereits bekannten Wärmeleitpaste oder eines Flüssigmetalls zwischen jeweils dem zu kühlendem Medium und dem Peltier-Element, sowie dem Peltier-Element und dem weiteren Kühlsystem und/anderen Komponenten des Kühlsystems.
Ein Vorteil ergibt sich beim Einsatz einer kühlflächenerweiternden Zwischenschicht wie z. B. einer dünnen Metallplatte aus z. B. Kupfer zwischen dem zu kühlenden Medium und dem Peltier Element.
Als CPU wird ein Mikroprozessor bezeichnet, der die zentrale Recheneinheit eines heutigen Computersystems darstellt.
Die Erfindung soll eine geregelte/gleichmäßige Kühlung von elektronischen Datenverarbeitungsanlagen wie etwa PCs, Workstations, Servern und ähnlichen Systemen sowie deren Komponenten wie etwa Prozessoren bzw. CPUs, Grafikkarten, Chipsätze, Festplatten und Solid-State-Drives ermöglichen.
Durch die Anpassung der Kühlleistung des Peltier-Elements an die Temperatur des zu kühlenden Mediums soll eine ideale Betriebstemperatur des zu kühlenden Mediums erreicht werden.
Gleichzeitig sinkt der Stromverbrauch des Peltier-Elements da durch eine geringer benötigte Kühlleistung (und die hierdurch gesenkte Spannung) auch die benötigte Energie sinkt.
Standby-Strom ist ein geringer Stromfluss der durch ein Gerät fliest um grundlegende Funktionen wie etwa eine Ein-/Ausschaltfunktion des selbigen zu ermöglichen.
Ein zu kühlendes Medium im Sinne dieser Erfindung, ist eine elektronische Datenverarbeitungsanlage wie etwa ein/e PC, Workstation, Server und ähnliche Systeme sowie deren Komponenten, insbesondere Prozessoren bzw. CPUs, Grafikkarten, Chipsätze, Festplatten und Solid-State-Drives.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine erfindungsgemäße Anwendung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit folgenden Eigenschaften ermöglicht:
Eine elektronische (programmierbare) Regelungs- bzw. Steuerungselektronik (nachfolgend Steuerungselektronik) (5) wird mit einer externen Stromversorgung wie etwa dem Netzteil eines Computers verbunden und hierdurch selbst mit Strom versorgt.
Diese Steuerungselektronik (5) verfügt über eine Verbindung zu einem Temperatursensor (3) und versorgt das Peltier-Element (2) mit Strom und ist daher in der Lage die Leistungszufuhr zum Peltier-Element zu regulieren.
Der Programmcode der Regelungs- bzw. Steuerungselektronik bzw. dessen programmähnliche Schaltungen überwachen die Temperatur die der Temperatursensor (3) an die Regelungs- bzw. Steuerungselektronik zurückmeldet bzw. von eben dieser ausgelesen wird. Bei Erreichen bestimmter Temperaturen senkt bzw. erhöht die Regelungs- bzw. Steuerungselektronik mithilfe dieses Programmcodes bzw. dieser programmähnlichen Schaltungen die elektrische Leistung die dem Peltier-Element zugeführt wird.
Eine sinnvolle erfindungsgemäße Einstellung wäre etwa – eine dem Grenzen des jeweils verwendeten Peltier-Elementes – zugeführte Leistung von 100% bei einer Temperatur von 70 Grad Celsius, eine linear abnehmende Leistung bis zum Erreichen von 30 Grad Celsius bei einer zugeführten Zielleistung von 10%.
Unter dieser Temperaturschwelle wäre auch eine vollständige Abschaltung des Peltier-Elementes möglich.
Es würde sich folgerichtig ein Vorteil ergeben, wenn die Möglichkeit einer Änderung, dieser vorgegebenen Temperaturschwellen und der jeweiligen Leistungswerte über eine andere Software/Schnittstelle auf/zu einer sonstigen Datenverarbeitungsanlage (z. B. Computer), besteht.
Der ggf. erforderliche Anpressdruck zwischen dem zu kühlendem Medium und der Kühlvorrichtung, kann durch eine weitere Vorrichtung bzw. einen passiven Kühlkörper der die Wärme des Peltier-Elementes abführt und gleichzeitig mit der Hauptplatine (z. B. bei Computersystemen) verbunden ist – nach dem aktuellen Stand der Technik – erzeugt werden.
Bezugszeichenliste

1: zu kühlendes Medium
2: Peltier-Element
3: Temperatursensor
4: Anderes Kühlsystem
5: elektronische/programmierbare Regelung/Steuerungselektronik

Claims

Ein Kühlsystem mit einem Peltier-Element für elektronische Datenverarbeitungsanlagen wie etwa PCs, Workstations, Server und ähnliche Systeme sowie deren Komponenten wie etwa Prozessoren bzw. CPUs, Grafikkarten, Chipsätze, Festplatten und Solid-State-Drives, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltier-Element (ein Wärmetauscher mit dem Peltier-Effekt) die benötigte Kälte für das zu kühlende Medium (Mikroprozessoren, CPUs, Grafikkarten, Chipsätze, Festplatten, PCs, Solid-State-Drives, elektronische Bauteile) erzeugt und dieses kühlt. Ein Temperatursensor ermittelt die Temperatur des zu kühlenden Mediums (Mikroprozessoren, CPUs, Grafikkarten, Chipsätze, Festplatten, PCs, Solid-State-Drives, elektronische Bauteile) und stellt den ermittelten Temperaturwert der elektronischen Regelung zur Verfügung. Eine elektronische Regelung senkt die elektrische Leistung die dem Peltier-Element zugeführt wird bei Erreichen bestimmter Temperaturen des zu kühlenden Mediums (Mikroprozessoren, CPUs, Grafikkarten, Chipsätze, Festplatten, PCs, Solid-State-Drives, elektronische Bauteile).
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die warme Oberseite des Peltier-Elements durch einen anderen Kühlkörper/ein anderes Kühlsystem (Passivkühlkörper, Passivkühlkörper mit Lüfter/Wasserkühlung) gekühlt wird.
Kühlsystem nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die warme Oberseite des Peltier-Elementes durch einen weiteren passiven Kühlkörper gekühlt wird, der wiederrum mit einem weiteren – ebenfalls Temperaturgeregelten – Peltier-Element verbunden ist, das wiederrum mit einem andere Kühlsystem (Passivkühlerkörper, Passivkühlkörper mit Lüfter/Wasserkühlung) gekühlt wird (Kaskadierung des Kühlsystems nach dem Anspruch 1).
Kühlsystem nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine kühlflächenerweiternde Zwischenschicht zwischen dem zu kühlendem Medium und/oder dessen Kühlkörpern und dem Peltier-Element eingesetzt wird.
Kühlsystem nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz eines Computerprogrammes, die jeweiligen Temperaturschwellenwerte – die zur Senkung oder Erhöhung der dem Peltier-Element zugeführten elektrischen Leistung – eingestellt und/oder einprogrammiert werden können.
Computerprogramm/e mit Programmcode zur Erfüllung der erfindungsgemäßen Ansprüche nach den vorangehenden Ansprüchen, wenn das Computerprogramm auf einem Computersystem ausgeführt wird.
Insbesondere Programm/e mit Programmcode zur elektronischen Reglungen der Spannung und Stromstärke des Peltier-Elementes nach den Ansprüchen 1 bis 5, wenn das Programm auf oder in einem System mit einem Mikroprozessor ausgeführt wird.
Computerprogramm/e mit Programmcode zur Ermittlung der Temperatur und Regelung der Leistung, nach dem Anspruch 1, wenn das Computerprogramm unter Nutzung eines Mikroprozessors ausgeführt wird.
Kühlungsanordnung zur Erfüllung der vorangehenden Ansprüche.