DE10333229A1

DE10333229A1 - Vorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Schaltkreises

Info

Publication number: DE10333229A1
Application number: DE2003133229
Authority: DE
Inventors: Peter Heiss
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-21
Filing date: 2003-07-21
Publication date: 2005-02-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines Wärme erzeugenden Schaltkreises, insbesondere eines Mikroprozessors, ohne Einsatz eines Ventilators. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass ein erstes wärmeleitendes Element auf den Schaltkreis aufgesetzt ist und das erste wärmeleitende Element mittels Wärmeleitrohren, die im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind, mit einem Wärmediffusor verbunden sind, wobei der Wärmediffusor eine Wärmediffusionsleistung aufweist, die mehr als doppelt so groß ist wie die Wärmeleistung des Schaltkreises.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Schaltkreises, insbesondere eines Mikroprozessors. Solche Prozessoren kommen in jedem Computer zum Einsatz und es ist allgemein bekannt, dass der Computer eine Gehäuse aufweist und das Gehäuse mit wenigstens einem Ventilator ausgestattet ist, um Frischluft anzusaugen und um dann die Wärme, die von den einzelnen Bauteilen des Computers erzeugt wird, insbesondere vom Mikroprozessor abzuführen.

Bekannt ist es auch, dass auf besonders wärmeerzeugende Schaltkreise ein Wärmediffusor aufgesetzt wird, dessen Oberfläche relativ groß ist, so dass die Wärme des Schaltkreises an den Wärmediffusor abge geben wird und, weil dieser eine relativ große Oberfläche hat, auch die Kühlluft entsprechend die erzeugte Wärme abführen kann.

Kann aber die Wärme nicht hinreichend abgeführt werden, so ist der Prozessor in seiner Leistungsfähigkeit eingeschränkt und bei bestimmten Prozessoren, z. B. bei Prozessoren der Firma Intel, kann dies dazu führen, dass diese Prozessoren dann, wenn sie eine bestimmte Temperatur erreichen, nur noch mit einer beschränkten Leistungsfähigkeit betrieben werden können (Throttling-Mode).

Diese Probleme sind bereits bekannt und aus dem Stand der Technik sind auch verschiedenste Kühlkonzepte bekannt, wie sie beispielsweise in den Schutzrechten DE 29802642 U1 , DE 4119037 C2 , DE 20300770 U1 , DE 19944550 A1 , DE 10132311 A1 beschrieben sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Kühlung einer Computereinrichtung im Allgemeinen, insbesondere die Kühlung für die Prozessoren leistungsfähiger zu machen und dabei die Nachteile, die den Konzepten im Stand der Technik anhaften, zu vermeiden.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird eine Vorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Schaltkreises vorgeschlagen, wie sie in den Ansprüchen beschrieben ist.

Bei einer ersten Alternative der Erfindung ist es möglich, die wesentlichen Schaltkreise eines Computers zu kühlen ohne den unbedingten Einsatz eines Ventilators.

Hierzu wird ein wärmeleitendes Element auf den zu kühlenden Schaltkreis aufgesetzt und dieses erste wärmeleitende Element mittels Wärmeleitrohren, die im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind, mit einem Wärmediffusor verbunden. Der Wärmediffusor weist eine Wärmediffusi onsleistung auf, die mehr als doppelt so groß ist, wie die Wärmeleistung des Schaltkreises.

Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn zwischen dem ersten Wärmeleitelement und dem Wärmediffusor ein zweites wärmeleitendes Element wärmeleitend mit den Wärmeleitungen verbunden und angeordnet ist. Dieses zweite wärmeleitende Element kann auch kurzfristig zusätzlich Wärme aufnehmen, die nicht gleich vom Wärmediffusor abgeführt werden kann.

Das erste – bevorzugt auch das zweite – wärmeleitende Element ist aus reinem Kupfer gefertigt, insbesondere in Form eines Kupferblockes, welcher auf den Prozessor aufsetzbar ist und hieran befestigt werden kann. Unter Umständen ist zwischen dem Gehäuse des Prozessors und dem Kupferblock auch noch eine Wärmepaste ausgebildet, um für einen bestmöglichen Wärmeleitanschluss des Kupferblockes zum Prozessor zu sorgen.

Die Zahl der Wärmeleitungen ist nicht beschränkt, sie sollte aber regelmäßig größer als 1 sein. Bevorzugt sind stets 6 bis 25 Wärmeleitrohre vorgesehen. Diese Wärmeleitrohre liegen in Bohrungen im Kupferblock einerseits und münden in den Wärmediffusor andererseits und wenn diese Wärmeleitungen – sog. Heatpipes – vertikal ausgerichtet sind, so können sie die Wärme aus dem ersten Wärmeleitelement bzw. aus dem zweiten Wärmeleitelement bestmöglich zum Wärmediffusor ableiten, da bei einer im Wesentlichen vertikalen Ausrichtung der Wärmeleitungen diese ihren bestmöglichen Wirkungsgrad erzielen.

Die Wärmeleitrohre sind solche, die bereits bei einer Temperaturdifferenz von 2°C bis 3°C ihre Wirkung erzielen, d. h. schon zu Beginn der Erwärmung wird gleich Wärme vom Prozessor bzw. des ersten Wärmeleitkörpers zum Wärmediffusor wirksam geführt, so dass nicht erst der Aufbau eines großen Temperaturgefälles abgewartet wird.

Üblicherweise liegt die Wärmeleistung von Hochleistungsprozessoren heute im Bereich von 60 W bis maximal 200 W. Mit der vorliegenden Erfindung kann ohne weiteres die Kühlung solcher großen Wärmeleistungen erreicht werden, ohne dass hierzu ein Ventilator notwendig ist.

Dabei kann durchaus der Nachteil in Kauf genommen werden, dass u. U. mit der Anordnung der Wärmediffusoren außerhalb des Computergehäuses mehr Platz als bisher benötigt wird. Andererseits hat die ventilationslose Kühlung den besonderen Vorteil, dass der Computer sehr leise ist und nicht so viel Staub wie bisher in das Innere des Computers gelangt und somit auch die Verschmutzung innerhalb des Computers minimiert wird.

Es liegt auf der Hand, dass ein Computer, der keinen Lüfter mehr benötigt, erheblich kostensparender arbeiten kann, da die Lüfterleistung nicht mehr elektrisch bereitgestellt werden muss und darüber hinaus gibt es bei dem erfindungsgemäßen Konzept auch den besonderen Vorteil, dass der Ausfall eines Lüfters nicht mehr die Funktions- und Wirkungsweise des gesamten Computers beeinflussen kann.

Ohnehin sind Lüfter für einen Computer recht kritische Elemente, da mit ihnen in nicht geringer Weise mikrobielle Lebewesen in die Luft verteilt werden. Wenn auf die Ventilatoren ganz verzichtet werden kann, ist auch die damit einhergehende verminderte Geräuschleistung ein ganz gewichtiges Element, was sich zu Gunsten der Gesundheit der Menschen auswirkt, die ständig mit solchen Computern zu arbeiten haben.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von prinzipiellen Darstellungen erläutert.
1 eine prinzipielle Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine prinzipielle Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt einen Computer mit einem Gehäuse 1 und einer innerhalb des Computers angeordneten Leiterplattenkarte 2, auf dem sich ein Prozessor 3 befindet. Dieser Prozessor kann möglicherweise ein solcher sein, wie er bislang bereits bekannt ist, z. B. ein Pentium-Prozessor, aber auch ein P4-Prozessor (ebenfalls von der Firma Intel) oder ein ATI Radion 9700 pro. Dieser Prozessor ist regelmäßig mit anderen Schaltkreisen, z. B. Speichern (Rambus-Speicher DDR-RAM usw.) verbunden und ein solcher Prozessor kann durchaus Taktraten von 2 GHz, 3,2 GHz bis zu 4 GHz oder mehr aufweisen.
Wie dargestellt, ist auf dem Prozessor 3 ein erster Wärmeleitkörper 4 aufgesetzt. Dieser Wärmeleitkörper kann bevorzugt aus Kupfer bestehen oder aus einem anderen hochwärmeleitenden Material.
Dieser Wärmeleitkörper kann durch eine spezielle Ausbildung direkt kontaktierend auf dem Prozessor liegen und zur verbesserten Wärmeleitfähigkeit kann auch zwischen dem Prozessor 3 und dem Wärmeleitkörper 4 ein die Wärme sehr gut leitendendes Medium liegen, z. B. eine Wärmeleitpaste.
In dem ersten Wärmeleitkörper sind eine Vielzahl von Bohrungen eingebracht und innerhalb dieser Bohrungen liegt jeweils ein Wärmeleitrohr 5, welches jeweils im Wesentlichen vertikal ausgerichtet ist.
Die bevorzugte Anzahl der Wärmeleitrohre liegt im Bereich von 6 bis 20, die Anzahl kann aber hiervon auch abweichen, je nachdem, welcher Platz für die Rohre durch den Wärmeleitkörper 4 bereitgestellt wird.
Die Wärmeleitrohre reichen bis außerhalb des Gehäuses 1 des Computers und münden dort in einen Wärmediffusor 6 und sind an diesen ebenfalls wärmeleitend optimal angeschlossen. Der Wärmediffusor selbst ist ebenfalls aus einem Wärme sehr gut leitenden Material, z. B. Metall, insbesondere Kupfer oder Aluminium od. dergl.
In dem Bereich, wo der Wärmediffusor 6 auf dem Gehäuse liegt, ist das Gehäuse selbst durchbrochen, so dass auch erwärmte Luft aus dem Inneren des Gehäuses 1 direkt durch den Diffusor nach oben steigen kann.
Die Wärmediffusionsleistung des Diffusors 6 liegt deutlich über der Wärmeleistung des Prozessors 3 und bevorzugt ist die Wärmediffusionsleistung mehr als doppelt (oder mehr als drei- bis zehnmal) so groß wie die Wärmeleistung des Prozessors.
Die Wärmeleitrohre – sog. Heatpipes – sprechen bereits auf eine Temperaturdifferenz von 2°C bis 3°C zwischen der Temperatur des Wärmeleitblocks 4 und dem Wärmediffusor 6 an und fangen also, sobald der Prozessor in Betrieb genommen worden ist, an, Wärme vom Prozessor zum Diffusor 6 abzuführen.
Die Kühlwirkung kann insgesamt noch dadurch verbessert werden, indem zwischen dem ersten Wärmeleitkörper 4 und dem Wärmediffusor 6 ein zweiter Wärmeleitkörper 7 angeordnet ist, welcher als sog. Notfallspeicher zur Verfügung steht und welcher insbesondere dann eine Kühlfunktion übernimmt, wenn durch den Wärmediffusor 6 nicht hinreichend Wärmeenergie schnell abgeführt werden kann. Dieser zweite Wärmeleitkörper ist ebenfalls aus einem Wärme gut leitendem Material, z. B. Aluminium, Kupfer od. dergl.
Insgesamt kann die Kühlwirkung auch noch dadurch verbessert werden, indem dieser zweite Wärmeleitkörper die Wärmeleitungen zwischen dem ersten Wärmeleitkörper 4 und dem Wärmediffusor 6 vollständig ummantelt oder der zweite Wärmeleitkörper mit dem ersten Wärmeleitkörpers funktional eine Einheit bildet.
Die vorgenannte Ausführung konnte bereits vom Erfinder erfolgreich getestet werden und es ist damit möglich, den gesamten Computer hinreichend zu kühlen, ohne dass es hierbei des Einsatzes eines Ventilators bedarf.
In 1 ist auch noch die Ausbildung verschiedener Festplattenlaufwerke oder Diskettenlaufwerke 8, 9 und 10 dargestellt. Diese sind auf elastisch verformbaren Kugeln gelagert, die im inneren Volumen eine gelartige Masse aufnehmen, so dass diese Laufwerke einerseits mechanisch bzw. schwingungstechnisch hinreichend stabil gelagert sind und andererseits dann, wenn durch solche Schwingungen Wärme erzeugt wird, diese sehr gut in die kugelförmigen Körper abgeführt werden kann bzw. von diesen aufgenommen werden kann. Besonders geeignet sind für die kugelförmigen Körper Squashbälle, die im Inneren eine gelartige Masse aufnehmen, die sich bei Verformung der Bälle leicht erwärmt und somit die Schwingungsenergie in Wärme umsetzt. Damit sind einmal die Laufwerke bestmöglich mechanisch geschützt, weil bei deren Schwingung – was bei deren Betrieb unvermeidlich ist – die erzeugte Schwingungsenergie in Wärme umgesetzt wird und nicht etwa auf das gesamte Gehäuse oder andere Bauteile des Computers übertragen werden. Die vorgenannte Idee der besonderen Lagerung der Plattenlaufwerke oder auch anderer Bauteile des Computers, welche Schwingung erzeugen wie Squashbälle, ist eine alternative, von der Wärmeleitidee grundsätzlich lösgelöste Idee, die auch u. U. eigens verfolgt werden kann.
Soweit jedoch die Festplattenlaufwerke oder andere Laufwerke oder auch andere Elemente des Computers Wärme erzeugen, so wird diese dann, wenn in dem Gehäuse insbesondere im unteren Bereich Lüftungsschlitze 11 vorhanden sind, durch die sich einstellende Sogwirkung bzw. den sich einstellenden "Kamineffekt" in Inneren des Gehäuses durch die heranströmende kühle Luft mitgenommen und nach oben weggeführt.
2 zeigt eine weitere Alternative zur Erfindung nach 1, kann aber mit dieser auch kumulativ eingesetzt werden.
In 2 ist zu ersehen, dass wiederum an der Leitplatte 2, die innerhalb des Gehäuses 1 des Computers liegt, ein Prozessor 3 liegt, welcher wiederum von dem ersten Wärmeleitkörper 4, insbesondere aus Kupfer gefertigt, umgeben ist. Der Wärmeleitkörper 4 ist wiederum über Wärmeleitrohre 5 – sog. Heatpipes – mit einem Diffusor 6 (außerhalb des üblichen Gehäuses) verbunden. Nunmehr ist auf dem Diffusor 6 ein Ventilator 12 aufgebracht, so dass die Kühlluft an den Diffusor 6 durch Zwangsbelüftung herangeführt wird. Dadurch erhöht sich die Kühlwirkung bzw. die Wärmeleitwirkung des Diffusors 6. Statt eines einzelnen Ventilators 12 können auch mehrere hiervon seitlich am Diffusor oder oberseitig hierauf angebracht sein.
Zu sehen ist in 2 auch, dass zur Kühlung anderer Baueinheiten des Computers ein weiterer Ventilator 13 am Gehäuse angebracht ist, um Teile, wie beispielsweise Motherboard usw., entsprechend zu kühlen.
Die Wärmeleitrohre sind entweder fest in dem Wärmeleitkörper 4 eingelassen oder in diesen steckbar eingelassen und zur bestmöglichen Kontaktierung der Wärmeleitrohre 5 und des Wärmeleitkörpers 4 bzw. des Diffusors 6 wird wiederum eine Wärmeleitpaste eingesetzt.
Mit der dargestellten Ausführung konnte erfolgreich getestet werden, dass ein Intel-Prozessor P4 mit einem Arbeitstakt von 3,2 GHz (bis zu 4 GHz) selbst bei 32 °C Raumtemperatur noch auf 33 °C Arbeitstemperatur gehalten werden konnte. Damit ist dieser Prozessor nach wie vor voll einsatzfähig, während bei bisherigen bekannten Kühlkonzepten dies nicht möglich ist, weil dann die Arbeitstemperatur des Prozessors auf einen Bereich von bis zu 45°C oder 50°C hochschnellt, was dazu führt, dass solche Prozessoren dann in den sog. Throttling-Mode übergehen, so dass sie nur noch mit dem halben oder einen geringeren Teil ihres nominalen Arbeitstaktes bzw. Arbeitsfrequenz funktionieren können.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht auch darin, dass die sog. "Innenarchitektur" des Computers nicht neu konzipiert werden muss, um die gewünschte Kühlwirkung zu erzielen, da der Wärmeleitkörper bzw. die Heatpipes nur eine Raum einnehmen, der ohnehin regelmäßig frei bleibt und sonst anderweitig nicht genutzt wird.
Je mehr Platz jedoch für den Wärmeleitkörper besteht, umso mehr Heatpipes – deren Durchmesser liegt bei 9 mm bis 15 mm, bevorzugt 6 mm bis 8 mm – können ausgebildet werden und umso besser ist letztendlich die gesamte Kühlwirkung der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Sehr wichtig ist auch die optimale Wärmeankopplung zwischen dem Prozessor und dem Wärmeleitkörper einerseits sowie zwischen dem Wärmeleitkörper und dem Diffusor über die Heatpipes andererseits. Soweit in der vorliegenden Anmeldung in besonderer Weise die Kühlung eines Prozessors beschrieben ist, so ist dieses natürlich auch auf alle anderen wärmeerzeugenden Elemente anwendbar. So ist es beispielsweise auch möglich, dass andere wärmeerzeugende Elemente, z. B. Hochleistungsschaltkreise, ebenfalls über Heatpipes mit dem dargestellten Wärmediffusor verbunden sind, so dass also mit dem Wärmediffusor die Wärme verschiedenster wärmeerzeugender Elemente wirksam abgeführt werden kann.
Ein besonderer Effekt der Erfindung besteht auch darin, dass dann, wenn beispielsweise der Prozessor nicht in Volllast läuft, der Prozessor stets kühler ist als ein Prozessor im Leerlauf, wenn dieser bisher über Lüfter gekühlt wird.
Da auf Lüfter teilweise völlig verzichtet werden kann bzw. deren Einsatz oft minimiert werden kann, werden die Kosten durch zusätzliche Wärmeabführung, also z. B. die Kosten für Wärmeleitkörper, Heatpipes, Wärmediffusor usw., mehrfach durch die Ersparnis von Anschaffung, Austausch, Reparatur bzw. Betrieb von Lüftern reamortisiert.
Mit der Erfindung lassen sich selbst Hochleistungsrechner bei Raumtemperaturen von 40°C oder mehr in Volllastbetrieb betreiben, ohne dass solche Rechner in den reduzierten Arbeitsmode (Throttling-Mode) umschalten müssen.

Claims

Vorrichtung zum Kühlen eines Wärme erzeugenden Schaltkreises, insbesondere eines Mikroprozessors, ohne Einsatz eines Ventilators, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes wärmeleitendes Element auf den Schaltkreis aufgesetzt ist und das erste wärmeleitende Element mittels Wärmeleitrohren, die im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind, mit einem Wärmediffusor verbunden sind, wobei der Wärmediffusor eine Wärmediffusionsleistung aufweist, die mehr als doppelt so groß ist wie die Wärmeleistung des Schaltkreises.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitrohre die Wärme vom Schaltkreis bereits dann abführen, wenn eine Temperaturdifferenz von 2°C bis 3°C zwischen den jeweiligen Enden der Wärmeleitrohre auftritt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmeableitung zwischen dem ersten Wärmeleitblock und dem Wärmediffusor eine Vielzahl von Wärmeleitungen angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Wärmeleitblock und dem Wärmediffusor ein zweiter Wärmeleitblock wärmeleitend mit den Wärmeleitungen verbunden angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmediffusor eine Vielzahl von Wärmerippen aufweist, zwischen denen sich bei Wärmeableitung ein "Kamineffekt" einstellt.
Vorrichtung, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Schaltkreises, insbesondere eines Mikroprozessors, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes wärmeleitendes Element auf den Schaltkreis aufgesetzt wird und das erste wärmeleitende Element mittels Wärmeleitrohren, die im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind, mit einem Wärmediffusor verbunden sind, auf welchem wenigstens ein Ventilator ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis innerhalb eines Gehäuses eines Computers liegt und der Wärmediffusor außerhalb des Gehäuses liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmediffusor mit wenigstens einem Leitblech versehen ist, durch welches die Luft, die vom Ventilator angesaugt wird, sich durch den Wärmediffusor bewegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmediffusor mit den Wärmeleitrohren lösbar bzw. steckbar mit dem ersten wärmeleitenden Element verbunden ist.