DE10346723B3

DE10346723B3 - Kühlluftführungselement für Computergehäuse und entsprechendes Computergehäuse

Info

Publication number: DE10346723B3
Application number: DE2003146723
Authority: DE
Inventors: Silvester Weinmeyer
Original assignee: FAIST SYSTEME GmbH
Current assignee: FAIST SYSTEME GmbH
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2023-10-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlluftführungselement und ein mit einem solchen Element versehenes Computergehäuse. Das Computergehäuse umfast zumindest ein wärmeerzeugendes elektronisches Bauteil (11), beispielsweise einen Mikroprozessor, wenigstens einen einen Kühlluftstrom in dem Computergehäuse erzeugenden Lüfter (19) und wenigstens ein Kühlluftführungselement (21), welches über dem zu kühelenden wärmeerzeugenden Bauteil (11) angeordnet ist und eine Lufteintrittsöffnung (22) und eine Luftaustrittsöffnung (23) definiert. Das Kühlluftführungselement (21) umfasst einen Mantel (26) aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, der im eingebauten Zustand das wärmeerzeugende elektronische Bauteil (11) zumindest teilweise so umgibt, dass der Kühlluftstrom über das elektronische Bauteil (11) geführt wird. Erfindungsgemäß ist der Mantel (26) zur Verbesserung der Wärmeabfuhr auf seiner Innenfläche (27), die im eingebauten Zustand zu dem elektronischen Bauteil (11) hin gerichtet ist, zumindest teilweise mit einer Einlage (28) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise einem Metallblech, versehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlluftführungselement zur Führung eines Kühlluftstroms über ein wärmeerzeugendes elektronisches Bauteil in einem Computergehäuse, sowie ein mit einem erfindungsgemäßen Kühlluftführungselement versehenes Computergehäuse.
In zahlreichen elektronischen Geräten findet man heute elektronische Bauteile, die auf Grund ihrer hohen Integrationsdichte und/oder ihrer hohen Taktfrequenz einen großen Teil der im Betrieb aufgenommenen elektrischen Energie wieder in Form von Wärme abgeben. Da diese elektronischen Bauteile in der Regel auch sehr temperaturempfindlich sind, müssen sie kontinuierlich gekühlt werden. Typische derartige elektronische Geräte sind Computer oder Server, in denen insbesondere der (oder die) Hauptprozessor(en) und Peripherieprozessoren, wie beispielsweise Grafikprozessoren viel Wärme entwickeln. Daher wird im Folgenden in erster Linie von Computern die Rede sein, jedoch versteht sich, dass die vorliegende Erfindung auch auf andere elektronische Geräte anwendbar ist, die zu kühlende elektronische Bauteile enthalten.
Als besonders kostengünstige und zuverlässige Form der Kühlung, wie sie insbesondere bei Personal Computern (PCs) oder Servern realisiert wird, hat sich die Kühlung mit Umgebungsluft erwiesen. Dazu ist in dem Gehäuse des elektronischen Gerätes üblicherweise ein elektrisch betriebener Lüfter angeordnet, der über in dem Gehäuse ausgesparte Lüftungsöffnungen kühlere Umgebungsluft ansaugt und sie als geeignet geführten Kühlluftstrom an den zu kühlenden Bauteilen entlang führt. Der dadurch erwärmten Luftstrom wird anschließend wieder aus dem Gehäuse herausführt, so dass die vom Luftstrom mitgeführte Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann.

Es hat sich bewährt, in dem Computergehäuse ein oder mehrere spezielle Kühlluftführungselemente vorzusehen, die gewährleisten, dass besonders kritische elektronische Bauteile effektiv gekühlt werden können. In der deutschen Patentanmeldung DE-A 199 47 016 wird eine Kühlvorrichtung für Computergehäuse beschrieben, die wenigstens einen, einen Luftstrom im Gehäuse erzeugenden Lüfter zur Kühlung der im Gehäuse angeordneten wärmeerzeugenden Komponenten umfasst, wobei eine geeignete Führung des Luftstroms ermöglicht, zahlreiche unterschiedliche elektronische Bauteile in dem Computergehäuse mit dem von dem Lüfter erzeugten Kühlstrom zu kühlen. Dadurch kann die Anzahl der Lüfter im Computergehäuse reduziert werden. In diesem Dokument wird dazu vorgeschlagen, über besonders effektiv zu kühlenden elektronischen Bauteilen, wie beispielsweise dem Hauptprozessor, ein Kühlluftführungselement mit einem haubenartigen, im Querschnitt im wesentlichen U-förmigen Mantel anzuordnen, der über dem elektronischen Bauteil einen definierten Luftkanal bildet, so dass eine besonders wirksame Wärmeabfuhr durch Konvektion gewährleistet ist.

Neben der DE-A 199 47 016 sind auch aus US-A 6 113 485 und EP-A 1 107 657 Kühlluftführungselemente mit den Merkmalen des Oberbegriffs des vorliegenden Anspruchs 1 bekannt.

Mit steigender Prozessorleistung muss aber auch der durch das Kühlluftführungselement geleitete Luftstrom stark erhöht werden, was bei gegebener Geometrie im Computergehäuse nur durch eine Erhöhung der Lüfterdrehzahl und/oder den Einsatz weiterer Lüfter erreicht werden kann. Beide Maßnahmen sind wegen der stärkeren Geräuschentwicklung, der zusätzlichen Energieaufnahme der Lüfter und, im Fall des Einsatzes von mehreren Lüftern, der höheren Gesamtherstellungskosten nachteilig.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zu Grunde, die bekannten Computergehäuse mit haubenartigen Luftführungselementen so weiterzubilden, dass mit möglichst geringem konstruktivem und finanziellem Aufwand mehr Wärme von dem (oder den) elektronischen Bauteilen) aus dem Computergehäuse abgeführt werden kann.

Gelöst wird dieses technische Problem durch das Kühlluftführungselement gemäß vorliegendem Anspruch 1 und das mit dem erfindungsgemäßen Kühlluftführungselement versehene Computergehäuse gemäß vorliegendem Anspruch 8. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

Der Erfindung liegt die Beobachtung zu Grunde, dass bei gegebenem Kühlluftstrom ein gewisser Anteil der von dem elektronischen Bauteil erzeugten Wärme durch Konvektion mit dem Kühlluftstrom abgeführt wird, während ein anderer Teil der Wärme als Strahlungswärme das über dem elektronischen Bauteil angeordnete haubenartige Kühlluftführungselement erwärmt. Das Kühlluftführungselement strahlt diese Wärme wiederum in das Innere des Computergehäuses ab, was letztlich zu einer Erhöhung der Eingangstemperatur des dem zu kühlenden elektronischen Bauteil zugeführten Luftstroms führt, so dass sich die Effizienz der Luftkühlung verringert. Um diesen Effekt zu minimieren wird das Kühlluftführungselement üblicherweise aus einem schlecht wärmeleitenden Material, beispielsweise einem Kunststoffmaterial hergestellt. Bei immer höherer abzuführender Wärmemenge reicht diese Maßnahme aber nicht aus, eine weitere Erwärmung der Luft im Inneren des Computergehäuses zu verhindern. Das üblicherweise in modernen Computern vorgesehene Regelungssystem, welches die Prozessortemperatur überwacht, wird daher in den vorgegebenen Grenzen versuchen, die Lüfterleistung zu erhöhen und/oder die Prozessorleistung, d.h. im wesentlichen die Taktrate des Prozessors, zu verringern.

Die Erfindung schlägt demgegenüber vor, die in Richtung des Kühlluftführungselementes abgestrahlte Wärme effektiv aus dem Computergehäuse abzuführen. Dazu wird erfindungsgemäß auf der im eingebauten Zustand zu dem zu kühlenden elektronischen Bauteil hin gerichteten Innenfläche des Mantels des Kühlluftführungselementes eine Einlage aus einem Material angeordnet, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Material des Mantels aufweist. Diese Einlage ist thermisch mit einer geeigneten Wärmesenke verbunden, vorzugsweise mit dem Computergehäuse selbst oder zumindest größeren metallischen Komponenten des Computergehäuses. Die zu dem elektronischen Bauteil hingerichtete Einlage nimmt den größten Teil der von dem elektronischen Bauteil abgestrahlten Wärme auf und leitet sie beispielsweise zu dem Computergehäuse ab, wo sie über die große Fläche des Computergehäuses schnell an die äußere Umgebungsluft abgeführt wird. Die Erwärmung des Mantels des Kühlluftführungselementes, der eine geringere Wärmeleitfähigkeit besitzt, und damit die Erwärmung der Luft im Inneren des Computergehäuses wird durch diese Maßnahme drastisch reduziert. Der insgesamt nach Außen abgeführte Wärmestrom wird erhöht, so dass man ohne Vergrößerung des Kühlluftstroms eine niedrigere Prozessortemperatur und/oder eine höhere Prozessorleistung verwirklichen kann.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach ein Kühlluftführungselement zur Führung eines Kühlluftstroms über ein wärmeerzeugendes elektronisches Bauteil in einem Computergehäuse mit einem Mantel aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, der, im eingebauten Zustand, das wärmeerzeugende elektronische Bauteil zumindest teilweise so umgibt, dass ein Kühlluftstrom über das elektronische Bauteil geführt wird, wobei das erfindungsgemäße Kühlluftführungselement dadurch gekennzeichnet ist, dass der Mantel auf seiner Innenfläche, die im eingebauten Zustand zu dem elektronischen Bauteil hin gerichtet ist, zumindest teilweise mit einer Einlage aus einem Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit versehen ist.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Computergehäuse mit zumindest einem wärmeerzeugenden elektronischen Bauteil, wenigstens einem, einen Kühlluftstrom in dem Computergehäuse erzeugenden Lüfter und wenigstens einem Kühlluftführungselement, welches über dem zu kühlenden wärmeerzeugenden Bauteil angeordnet ist und eine Lufteintrittsöffnung und eine Luftaustrittsöffnung definiert, wobei das Kühlluftführungselement wie oben definiert ausgebildet ist und einen Mantel aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufweist, der auf seiner zu dem wärmeerzeugenden Bauteil gerichteten Innenseite zumindest teilweise mit einer Einlage aus einem Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit versehen ist.

Die Einlage des Kühlluftführungselementes steht zur besseren Wärmeabfuhr mit metallischen Komponenten des Computergehäuses in thermischem Kontakt.

Bei zahlreichen bekannten Computern ist in dem Computergehäuse ein Stromversorgungsmodul vorgesehen, das häufig bereits den einen Kühlstrom erzeugenden Lüfter umfasst. Die elektrischen Komponenten des Stromversorgungsmoduls und der Lüfter sind dabei typischerweise von einem Metallgehäuse umgeben. In diesem Fall ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die gut wärmeleitende Einlage des Kühlluftführungselementes mit dem Metallgehäuse des Stromversorgungsmoduls in thermischem Kontakt steht. Das Stromversorgungsmodul steht wiederum mit Metallkomponenten des Computergehäuses, das gegebenenfalls auch insgesamt aus Metall bestehen kann, in thermischem Kontakt, so dass eine effektive Abfuhr der von der Einlage absorbierten Strahlungswärme nach außen gewährleistet ist. Die jeweiligen Kontaktflächen können verschraubt, vernietet, verschweißt und/oder mit Wärmeleitpaste behandelt sein.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlluftführungselementes ist die Einlage von der Innenseite des Kunststoffmantels beabstandet, so dass eine direkte Wärmeübertragung zwischen Einlage und Mantel verhindert oder zumindest stark reduziert wird. Zwischen der Einlage und dem Mantel kann eine weitere wärmeisolierende Schicht vorgesehen sein, der Wärmeleitfähigkeit niedriger als die Wärmeleitfähigkeit des Mantels ist. Üblicherweise reicht es aber aus, wenn die zwischen Einlage und Innenseite des Mantels ausgebildete Luftschicht als thermische Isolierung dient.

Vorzugsweise besteht der Abstand zwischen der Einlage und der Innenseite des Mantels 0,5 bis 5 mm, besonders bevorzugt 1 bis 3 mm.

Der Abstand zwischen Einlage und Mantel kann durch geeignete, auf der Innenfläche des Mantels vorgesehene Abstandshalter gewährleistet werden. Diese Abstandshalter sind vorzugsweise einstückig mit dem Mantel des Kühlluftführungselements ausgebildet.

Da die Einlage insbesondere dazu dient, die von dem elektronischen Bauteil, also beispielsweise vom Prozessor abgestrahlte Wärme zu absorbieren, ist vorzugsweise die im eingebauten Zustand zu dem elektronischen Bauteil weisende Unterseite der Einlage geschwärzt. Besonders bevorzugt ist die geschwärzte Unterseite mattiert oder rau, um das Wärmeabsorptionsvermögen weiter zu erhöhen.

Wenn hier von einer Einlage aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und einem Mantel aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit die Rede ist, so bezieht sich dies zunächst auf den unmittelbaren Vergleich der jeweiligen Materialien, d.h. man wird die Materialien so auswählen, dass die Einlage eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Mantel des Kühlluftführungselements aufweist. Besonders vorteilhaft besteht der Mantel beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial und die Einlage aus Metall, beispielsweise aus einer Metallfolie oder einem Metallblech. Geeignete Metalle sind beispielsweise Kupfer oder Aluminium.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf ein in den beigefügten Zeichnungen schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen
1 eine schematische Darstellung der Luftführung in einem Computergehäuse;
2 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäße Kühlluftführungselement entlang der Linie II-II der 1; und
3 einen Detailausschnitt des Kühlluftführungselements der 2.
In 1 ist ein insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnetes Computergehäuse aus Metall schematisch dargestellt. In dem Computergehäuse erkennt man einen Zentralprozessor (CPU) 11, ein Festplattenlaufwerk 12 und ein Kompaktdisk-Laufwerk 13. An Steckplätzen 14 können geeignete (hier nicht dargestellte) Erweiterungskarten installiert werden. In der Nähe des Festplattenlaufwerks 12 sind Lufteintrittsöffnungen 15 in dem Computergehäuse 10 ausgespart. In einer anderen Seitenwand des Gehäuses 10 sind Luftaustrittsöffnungen 16 ausgespart. Im Inneren des Gehäuses 10, unmittelbar vor den Luftaustrittsöffnungen 16 ist ein Stromversorgungsmodul 17 angeordnet, das von einem Metallgehäuse 18 umgeben ist. In dem Stromversorgungsmodul 17, das ebenfalls über geeignete Lufteintritts- und Luftaustrittsöffnungen verfügt, ist ein Lüfter 19 angeordnet, der in dem Computergehäuse 10 einen schematisch durch Pfeile 20 symbolisierten Luftstrom erzeugt. Unmittelbar stromaufwärts vor dem Lüfter 19 ist ein Kühlluftführungselement 21 angeordnet, welches den Zentralprozessor 11 haubenartig umgibt, so dass gewährleistet ist, dass praktisch der gesamte von dem Lüfter 19 erzeugte Kühlluftstrom 20 an dem Zentralprozessor 11 vorbeigeführt wird. Das Kühlluftführungselement 21 weist eine Lufteintrittsöffnung 22 und eine zum Lüfter 19 weisende Luftaustrittsöffnung 23 auf.
In 2 ist ein schematischer Längsschnitt des Kühlluftführungselementes und der daran anschließenden Stromversorgung 17 mit Lüfter 19 entlang der Linie II-II der 1 dargestellt. Wie man insbesondere in der Schnittansicht der 2 erkennt, ist der Zentralprozessor 11 auf einer Grundplatine (Motherboard) 24 angeordnet und von dem aus einem haubenartigen Kunststoffmantel 26 gebildeten Kühlluftführungselement 21 umgeben. In einem Schnitt senkrecht zur Zeichenebene der 2 besitzt der Kunststoffmantel 26 ein im wesentlichen U-förmiges Profil. Zur Verbesserung des Wärmeaustausches zwischen dem Zentralprozessor und dem zwischen der Lufteintrittsöffnung 22 und der Luftaustrittsöffnung 23 geführten Kühlluftstrom 20 ist auf dem Zentralprozessor 11 ein Kühlkörper 25 angeordnet, der eine möglichst große Kontaktfläche mit dem Luftstrom 20 gewährleistet. Ein Teil der von dem Zentralprozessor 11 erzeugten Wärme wird daher durch Konvektion mit dem Luftstrom 20 abgeführt. Ein anderer Teil der vom Zentralprozessor 11 erzeugten Wärme wird von dem Prozessor selbst und von dem Kühlkörper 25 abgestrahlt. Die abgestrahlte Wärme wird von einer an der Innenfläche 27 des Kunststoffmantels 26 des Kühlluftführungselementes 21 angebrachten Metalleinlage 28 absorbiert, deren Unterseite 29 zur Erhöhung des Absorptionsvermögens geschwärzt ist. Im dargestellten Beispiel ist die Metalleinlage 28 als ca. 2 mm dickes Aluminiumblech ausgebildet, dessen Form durch Tiefziehen an die Form des Kunststoffmantels 26 des Kühlluftführungselementes 21 angepasst ist. Durch geeignete, an der Innenfläche 27 des Kunststoffmantels 26 verteilte Abstandshalter 30, die einstückig mit dem Kunststoffmantel 26 ausgebildet sind, wird zwischen der Innenfläche 27 und der Metalleinlage 28 ein Luftpolster 31 ausgebildet, welches den Kunststoffmantel 26 von der erwärmten Metalleinlage 28 thermisch isoliert. Die Metalleinlage 28 ist in dem an das Metallgehäuse 18 der Stromversorgung 17 grenzenden Stirnbereich des Kühlluftführungselementes 21 um die Stirnkante des Kunststoffmantels 27 umgefaltete, so dass die Metalleinlage 28 in einem Kontaktbereich 32 thermisch mit dem Metallgehäuse 18 der Stromversorgung 17 verbunden ist. Zwischen den aneinanderliegenden Metallflächen kann man eine Wärmeleitpaste zu Verbesserung des thermischen Kontaktes einbringen. Das Metallgehäuse 18 der Stromversorgung 17 steht wiederum mit dem metallischen Computergehäuse 10 in thermischem Kontakt, so dass eine effektive Wärmeabfuhr der von der Metalleinlage 28 absorbierten Strahlungswärme des Zentralprozessors 11 aus dem Computergehäuse 10 nach draußen gewährleistet ist.
3 zeigt schließlich eine vergrößerte Detailansicht des in 2 mit III bezeichneten Bereichs. Man erkennt in 3 deutlicher, dass der Abstandshalters 30 einen definierten Abstand zwischen der Innenfläche 27 des Kunststoffmantels 26 des Kühlluftführungselementes 21 und der Metalleinlage 28 gewährleistet. Der Abstandshalter 30 weist ein scheibenartiges Element 33 auf, das den gewünschten Abstand definiert. Von dem scheibenartigen Element 33 springt ein stiftartiger Noppen 34 nach innen vor, auf den die Metalleinlage 28 an entsprechend vorgestanzten Löchern aufgesetzt und fixiert werden kann.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Verbesserung der Wärmeabfuhr gegenüber einem baugleichen Kühlluftführungselement ohne Metalleinlage um ca. 10 bis 15 % möglich. Ferner erflogt der Temperaturausgleich aus Ausgangsniveau im Anschluss an ein kurzzeitige Erhöhung der Prozessorleistung schneller als in herkömmlichen Computergehäusen.

Claims

Kühlluftführungselement (21) zur Führung eines Kühlluftstroms (20) über ein wärmeerzeugendes elektronisches Bauteil (11) in einem Computergehäuse (10), mit einem Mantel (26) aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, der im eingebauten Zustand das wärmeerzeugende elektronische Bauteil (11) zumindest teilweise so umgibt, dass der Kühlluftstrom (20) über das elektronische Bauteil (11) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (26) auf seiner Innenfläche (27), die im eingebauten Zustand zu dem elektronischen Bauteil (11) hin gerichtet ist, zumindest teilweise mit einer Einlage (28) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit versehen ist.
Kühlluftführungselement gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (28) von der Innenseite (27) des Mantels (26) beabstandet ist.
Kühlluftführungselement gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Einlage (28) und der Innenseite (27) des Mantels (26) im Bereich von 0,5 bis 5 mm, vorzugsweise von 1 bis 3 mm liegt.
Kühlluftführungselement gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (26) aus einem Kunststoffmaterial besteht.
Kühlluftführungselement gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (28) ein der Form des Mantels (26) angepasstes Metallblech ist.
Kühlluftführungselement gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (28) eine Wandstärke im Bereich von 0,5 bis 5 mm, vorzugsweise von 1 bis 3 mm aufweist.
Kühlluftführungselement gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (28) auf ihrer, im eingebauten Zustand zu dem elektronischen Bauteil weisenden Unterseite (29) geschwärzt ist.
Computergehäuse mit zumindest einem wärmeerzeugenden elektronischen Bauteil (11), wenigstens einem, einen Kühlluftstrom (20) in dem Computergehäuse erzeugenden Lüfter (19) und wenigstens einem Kühlluftführungselement (21), welches über dem zu kühlenden wärmeerzeugenden Bauteil (11) angeordnet ist und eine Lufteintrittsöffnung (22) und eine Luftaustrittsöffnung (23) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlluftführungselement (21) ein Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ist.
Computergehäuse gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (28) des Kühlluftführungselements (21) mit metallischen Komponenten des Computergehäuses (10) in thermischem Kontakt steht.
Computergehäuse gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (28) des Kühlluftführungselements (21) über ein metallisches Gehäuse (28) eines in dem Computergehäuse eingebauten Stromversorgungsmoduls (17) mit dem Computergehäuse (10) in thermischem Kontakt steht.