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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem
für elektronische
Geräte
mit wärmeerzeugenden
elektrischen und elektronischen Bauelementen, insbesondere für Computer.
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Elektronische Geräte produzieren naturgemäß aus einem
bestimmten Anteil der ihnen zugeführten Elektroenergie Verlustwärme. Diese
Verlustwärme
muss zur Verhinderung von Ausfällen
der elektronischen Komponenten abgeführt werden. Insbesondere für Computer
ist es notwendig, die Verlustwärme
der Computer-Processing-Unit (CPU) abzuführen.
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Nach momentanem Stand der Technik
erzeugt eine CPU in einem handelsüblichen Personalcomputer ca.
80 Watt Verlustleistung, welche als Wärme aus dem System abgeführt werden
muss. Allerdings ist bei zukünftigen
Prozessorgenerationen mit einer Verlustleistung größer als
100 W zu rechnen. Um ein Funktionieren der CPU zu gewährleisten,
ist es in Abhängigkeit
des Prozessortyps und des Herstellers des Prozessors erforderlich,
die Temperatur an der CPU auf Temperaturen zwischen 70 °C und 90 °C durch Kühlung zu
begrenzen.
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Neben der CPU befinden sich in einem
komplexen elektronischen Gerät,
wie einem Personalcomputer, weitere Komponenten, deren maximale Arbeitstemperatur
ebenfalls zum Zwecke des reibungslosen Funktionierens nach oben
begrenzt ist. Eine weitere wichtige Komponente stellt in diesem Zusammenhang
die Grafikkarte (GPU) dar. Ebenso gilt der Chipsatz als signifikante
Verlustwärmequelle.
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Von Seiten der Hersteller der elektronischen Bauelemente
bestehen Vorgaben, dass die maximale Innenraumtemperatur (Local-Ambiente-Temperature – LAT) in
einem Gehäuse
herstellerabhängig
38 °C bis
42 °C betragen
darf.
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Weitere Vorgaben für ein Kühlsystem
für elektronische
Geräte
bestehen darin, dass das Gewicht des Kühlsystems limitiert ist und
weiterhin sehr hohe Anforderungen an die Stabilität des Systems wegen
des Transports der elektronischen Geräte gestellt wird.
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Ebenso ist die Geräuschbelastung
des Kühlsystems
ein wichtiges Kriterium bei dessen Beurteilung.
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Im Stand der Technik sind eine Reihe
von Kühlsystemen
für elektronische
Geräte
bekannt.
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Nach der
DE 200 10 977 U1 ist ein
System zum Kühlen
eines Computers bekannt, welches eine Kälteanlage mit Verdichter, Kondensator,
Expansionsventil und Verdampfer auf traditionelle Weise nach dem
Kaltdampfprozess den Computer bzw. dessen wärmeerzeugende Komponenten kühlt.
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Weiterhin werden für die Kühlung von
elektronischen Geräten
Heatpipes bzw. Wärmerohre
eingesetzt, welche eine sehr effiziente Art des Wärmetransportes
von dem wärmedissipierenden
elektronischen Bauelement zu einem Wärmeübertrager zur Wärmeabfuhr
aus dem System ermöglichen.
In dem Wärmeübertrager
bzw. dem Kondensator des Wärmerohres
wird die Wärmeenergie
an ein Kühlmittel, beispielsweise
an einen Luftstrom oder an eine Kühlflüssigkeit, abgegeben.
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Ein solches System ist in der
DE 195 27 674 offenbart.
Die offenbarte Kühleinrichtung
führt die Wärme an einen
Kühlluftstrom
ab, der mittels eines Ventilators erzeugt wird.
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Nach der
US 6,288,895 ist ein Apparat für die Kühlung elektronischer
Komponenten in einem Computersystem offenbart, welches ein Wärmerohr
zur Ableitung des Verlustwärmestromes
von dem wärmeerzeugenden
elektronischen Bauelement nutzt und dessen Kondensator mit einem
kanalförmigen Wärmeübertrager
in thermischer Verbindung steht, der Wärmeübertragungsrippen aufweist.
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Nachteilig an diesem Apparat ist,
dass das Wärmerohr
aufgrund der horizontalen Anordnung einen Zwangsrücklauf für das Kältemittel
benötigt.
Weiterhin ist nachteilig, dass die Ausgestaltung des Wärmeübertragers
als Luftleiteinrichtung keine Erweitungsmöglichkeiten besitzt und aufgrund
der räumlichen
Verhältnisse
nicht mehrere Bauelemente durch verschiedene Wärmerohre gekühlt werden
können.
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Nach der
EP 0 529 837 B1 wird eine Mehrchipmodulanordnung
offenbart, die ein integriertes Wärmerohr aufweist, wobei mit
diesem integrierten Wärmerohr
mehrere elektronische Bauelemente gleichzeitig gekühlt werden,
indem die elektronischen Bauelemente auf der Oberfläche des
Verdampfers eines Wärmerohres
angeordnet sind.
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Dem Stand der Technik haftet der
Nachteil an, dass keines der bekannten Systeme in der Lage ist,
effizient die Innenraumtemperatur des elektronischen Gerätes zu senken,
um das Funktionieren der elektronischen Bauelemente sicherzustellen,
und darüber
hinaus sind die bekannten Systeme zu laut, zu schwer und zu kostenintensiv.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe
zugrunde, ein Kühlsystem
für elektronische
Geräte,
insbesondere für
Computer, zur Verfügung
zu stellen, welches effizient sowohl die maximale Temperatur der
elektronischen Bauelemente selbst als auch die Temperatur des Innenraumes
der elektronischen Geräte
begrenzt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein
Kühlsystem
für elektronische
Geräte
mit einem Gehäuse
und einer im Inneren des Gehäuses
angeordneten Luftleiteinrichtung und einem in oder an der Luftleiteinrichtung
platzierten Lüfter
zur Kühlung elektronischer
Bauteile mittels eines Wärmerohres mit
einem an einem elektronischen Bauteil angeordneten Verdampfer und
einem in der Luftleiteinrichtung angeordneten Kondensator gelöst, wobei
die Luftleiteinrichtung einen Lufteintritt im Inneren des Gehäuses aufweist
und dass ein Luftaustritt derart am Gehäuse angeordnet ist, dass die
durch elektronische Bauteile erwärmte
Luft aus dem Inneren des Gehäuses über die
Luftleiteinrichtung und nach Kühlung
des Kondensators direkt aus dem Gehäuse herausgeleitet wird.
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Die Konzeption der Erfindung besteht
insbesondere darin, dass die erfindungsgemäße Luftleiteinrichtung gezielt
die Verlustwärme
der elektronischen Bauelemente durch Ansaugen der Luft aus dem Inneren
des Gehäuses
zum Luftausgang der Luftleiteinrichtung transportiert, wobei der
Luftausgang in eine Gehäusewand
integriert ist und somit die Luft direkt nach außen geleitet wird. Vorteilhaft wird
der Luftausgang auch in die Gehäuserückwand integriert.
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Damit werden zwei Aufgaben erfüllt: zum Ersten
wird die Innenraumluft des elektronischen Gerätes bzw. des Computers, die
sich durch die Vielfalt der elektronischen Bauelemente erwärmt, abgeführt, und
die Innenraumtemperatur lässt
sich dadurch auf weniger als 38 °C
begrenzen. Zum Zweiten wird durch die Kombination von Luftleiteinrichtung
und Wärmerohr,
dessen Verdampfer direkt auf bzw. an einem elektronischen Bauteil,
wie der CPU oder GPU, angeordnet ist, eine deutliche Absenkung der
Bauteiltemperatur auf ca. 70 °C
erreicht. In Abhängigkeit der
Auslegung des Wärmerohres
lassen sich mit dem erfindungsgemäß gestalteten Kühlsystem
auch Temperaturen von 60 °C
und weniger realisieren.
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Somit werden konzeptionsgemäß die elektronischen
Bauteile mit einer hohen Verlustwärmeproduktion direkt durch
ein Wärmerohr
und die elektronischen Bauelemente mit einer geringeren Verlustwärmeproduktion
indirekt durch Absaugen der Computerinnenraumluft gekühlt. Besonders
effizient erfolgt die Kühlung
dadurch, dass die Luftleiteinrichtung selbst aus thermisch schlecht
leitendem Material ausgebildet ist, wodurch die Computerinnenraumluft
nach der Erwärmung
beim Durchströmen
eines oder mehrerer Kondensatoren der Wärmerohre die aufgenommene Wärmeenergie
nicht auf dem Wege aus dem Computersystem über die Luftleiteinrichtung
wieder an die Computerinnenraumluft abgeben kann.
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Weiterhin ist es möglich, in
dieses Kühlsystem
mehrere Wärmerohre
zu integrieren, wodurch mehrere elektronische Bauelemente direkt
durch die Verdampfer der Wärmerohre
gekühlt
werden, wobei die Kondensatoren der Wärmerohre in der Luftleiteinrichtung
und besonders vorteilhaft in der Luftleiteinrichtung hintereinander
angeordnet sind.
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Besonders vorteilhaft ist es, neben
der CPU eines Computers auch die Grafikkarte des Computers durch
ein Wärmerohr
direkt zu kühlen,
da bei modernen Computersystemen die Verlustleistung einer Grafikkarte
bereits bis zu 70 Watt beträgt
und somit in die Größenordnung
der Verlustleistung der CPU gelangt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung wird ein drittes Wärmerohr vorgesehen, welches
den Chipsatz des Computers kühlt und
dessen Kondensator gleichfalls in die Luftleiteinrichtung integriert
ist.
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Der Lufteintritt der Luftleiteinrichtung
ist dabei bevorzugt im oberen Teil des Gehäuses angeordnet, wo sich die
erwärmte
Innenraumluft im Gehäuse naturgemäß ansammelt
und staut. Um die Geräuschbelastung
durch den für
den Luftstrom erforderlichen Lüfter
zu minimieren, sind die Querschnittsflächen am Lufteintritt und am
Luftaustritt der Luftleiteinrichtung bevorzugt in ähnlicher
Größe zu wählen.
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Die Querschnittsfläche am Lufteintritt
der Luftleiteinrichtung ist vorteilhaft überwiegend horizontal ausgerichtet,
wobei die Querschnittsfläche
am Luftaustritt der Luftleiteinrichtung bevorzugt in eine vertikale
Begrenzungsfläche
des Gehäuses
integriert ist.
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Besonders vorteilhaft ausgebildet
ist die Luftleiteinrichtung, indem Führungen vorgesehen sind, welche
zur Aufnahme von Lüftern
und/oder Kondensatoren dienen. Durch das Vorsehen der genannten Führungen
können
die Komponenten ohne Demontage der Luftleiteinrichtung problemlos
für Wartungs- und
Reparaturarbeiten ausgewechselt werden.
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Weiterhin erfindungsgemäß vorteilhaft
ausgebildet ist die Luftleiteinrichtung dergestalt, dass sie aus
einem schlecht wärmeleitenden
Material mit einem Wärmeleitkoeffizienten λ < 0,5 W/mK bei 20 °C ausgebildet
ist. Dadurch wird vermieden, dass die durch die Kondensatoren in
der Luftleiteinrichtung erwärmte
Innenraumluft auf dem Wege zum Luftaustritt aus der Luftleiteinrichtung
die Wärme
an den die Luftleiteinrichtung umgebenden Innenraum und die Komponenten
im Inneren des elektronischen Gerätes abgibt.
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Als Lüfter wird bevorzugt ein Axiallüfter mit einem
Durchmesser von 80 mm bzw. 92 mm vorgesehen. Von besonderem Vorteil
ist dabei, dass beim Einsatz von Lüftern mit großen Durchmessern,
die bei niedrigen Drehzahlen betrieben werden, eine geringere akustische
Belastung auftritt.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
mit Bezugnahme auf die zugehörigen
Zeichnungen. Es zeigen:
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1:
Schnittdarstellung eines Computers mit einer Luftleiteinrichtung
und einem Wärmerohr
für die
CPU,
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2:
Schnittdarstellung eines Computers mit einer Luftleiteinrichtung
und je einem Wärmerohr für die CPU
und die GPU,
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3:
Luftleiteinrichtung mit Führungen
für einen
Axiallüfter
und einen Kondensator,
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4:
modifiziertes Computergehäuse
mit Montagerahmen für
Luftleiteinrichtung in aufgeklappter Montagestellung,
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5:
modifiziertes Computergehäuse
mit Montagerahmen für
Luftleiteinrichtung in montierter Stellung und,
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6:
Schnittdarstellung eines Computers mit Wärmerohren zur Enthitzung von
CPU, Chipsatz und GPU.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Luftleiteinrichtung 2 im
Einsatz für
einen Computer dargestellt, dessen CPU mithilfe eines Wärmerohres 5 gekühlt wird.
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Im Gehäuse 1 des Computers
sind mehrere elektronische Bauteile 9 angeordnet. Die gegenwärtige Hauptwärmequelle
des Computers, die CPU, wird mit einem Wärmerohr 5 direkt gekühlt. Der
Verdampfer 6 des Wärmerohres 5 ist
dabei auf der CPU 9 angeordnet, und der Kondensator 7 des
Wärmerohres 5 ist
in der Luftleiteinrichtung 2 platziert. Bei Erreichen der
Verdampfungstemperatur des Kältemittels
im Wärmerohr 5 verdampft
das Kältemittel
unter Wärmeaufnahme
und gelangt in den Kondensator 7. Der Axiallüfter 8 in
der Luftleiteinrichtung 2 saugt die Computerinnenraumluft über den
Lufteintritt 3 durch die Kühlrippen des Kondensators 7 hindurch an
und befördert
die Computerinnenraumluft durch den Luftaustritt 4 nach
draußen.
Der Luftaustritt 4 ist dabei bevorzugt in eine der vertikalen
Seitenwände des
Gehäuses 1 integriert.
Gemäß einer
nicht dargestellten vorteilhaften alternativen Gestaltung ist der Luftaustritt 4 in
die Rückwand
des Gehäuses 1 integriert.
Die Luftleiteinrichtung 2 ist kanalartig aufgebaut. Der
Lufteintritt 3 befindet sich bevorzugt im oberen Bereich
des Gehäuses 1.
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Gemäß der Darstellung ist zu erkennen, dass
der Kondensator 7 vorteilhaft mit einer leichten Schrägstellung
in Bezug auf das Gehäuse 1 angeordnet
ist, um einen Schwerkraftrückfluss
des kondensierten Kältemittels
aus dem Kondensator 7 in den Verdampfer 6 zu gewährleisten.
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Mittels dieses Kühlverfahrens kann die Temperatur
der CPU auf bis zu 65 °C
abgekühlt
werden, was eine Verbesserung der Kühltemperatur gegenüber nach
dem Stand der Technik bekannten und in der Praxis eingesetzten Kühlsysteme
bedeutet. Von besonderem Vorteil ist, dass die Innenraumtemperatur
im Gehäuse 1 durch
die Absaugung von Innenraumluft bei Umgebungstemperaturen von 35 °C auf ca.
38 °C gesenkt
werden kann. Weiterhin ist von Vorteil, dass die Anordnung des Axiallüfters 8 in
der Luftleiteinrichtung den Geräuschpegel
des Kühlsystems
im Vergleich mit bekannten Systemen deutlich senkt. Die Luftleiteinrichtung 2 ist
nach dieser bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung aus einem Kunststoff
mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit, λ ≤ 0,6 W/mK,
ausgebildet. Der Einsatz von Plastikwerkstoffen ermöglicht die
Reduzierung der Masse des Kühlsystems
im Vergleich zum Einsatz von Metall, und weiterhin ist es dadurch
möglich,
eine Wärmeabgabe über die
Begrenzungswände
der Luftleiteinrichtung an den Computerinnenraum so gering wie möglich zu
halten.
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Weiterhin wird erreicht, dass der
Lüfter 8 in der
Luftleiteinrichtung 2 durch deren Material elastisch befestigt
ist, was zu einer weiteren deutlichen Geräuschreduzierung führt.
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Die Öffnung für den Luftaustritt der Luftleiteinrichtung
ist wahlweise in die Rück-
oder auch die Seitenwand des Gehäuses 1 zu
integrieren. Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung lässt sich
auf besonders vorteilhafte Weise die parallele Aufgabenstellung
der Erniedrigung der Computerinnenraumtemperatur durch das Ansaugen
und das Abtransportieren von Computerinnenraumluft und der direkten Bauelemente-Kühlung durch
Anwendung eines Wärmerohres
und der Anordnung des Kondensators in der Luftleiteinrichtung realisieren.
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Durch die Verwendung von Leichtbaumaterialien,
wie Plastikwerkstoffen, für
die Luftleiteinrichtung 2 sowie Kupfer für den Verdampfer
und Aluminium für
die Kondensatorrippen, lässt
sich ein Gewicht des Kühlsystems
von weniger als 250 g Gramm erreichen. Die Geräuschbelastung bei einer Drehzahl
von ca. 1500 Umdrehungen pro Minute eines Axiallüfters ist dabei kleiner als
30 dB.
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In 2 ist
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dargestellt,
in welcher zwei elektronische Bauelemente 9 direkt durch
jeweils ein Wärmerohr 5 gekühlt werden.
Neben der CPU wird die GPU, welche im unteren Teil des Computergehäuses 1 angeordnet
ist, durch ein zusätzliches
Wärmerohr 5 gekühlt. Der
Verdampfer 6 dieses Wärmerohrs 5 ist
gemäß der Ausgestaltung
der Erfindung unter der GPU positioniert und mit dem seitlich darüber angeordneten
Kondensator 7 verbunden. Zwischen den Kondensatoren 7 der
Wärmerohre 5 für die CPU
und die GPU ist ein Axiallüfter 8 angeordnet.
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Besonders vorteilhaft wird damit
erreicht, dass die GPU, welche neben der CPU die höchste Verlustwärme im Computer
produziert, direkt gekühlt wird.
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Zur Verbesserung der Wartungsfreundlichkeit
sowie aus fertigungstechnischen Gründen sind Führungen 10 in der
Luftleiteinrichtung 2 vorgesehen, die einen sicheren Austausch
der in bzw. an der Luftleiteinrichtung 2 positionierten
Komponenten, wie Kondensatoren 7 oder Lüfter 8, ermöglicht.
Insbesondere wird dadurch erreicht, dass der Lüfter 8 bei einem Defekt
ohne eine Demontage des Kühlsystems
und der Luftleiteinrichtung 2 aus der Führung 10 herausgezogen
und ersetzt werden kann, ohne das gesamte Kühlsystem demontieren zu müssen.
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Gemäß 3 ist eine Luftleiteinrichtung 2 mit
Führungen 10 für den Kondensator 7 eines
Wärmerohres 5 sowie
für einen
Axiallüfter 8 perspektivisch
dargestellt.
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In 4 ist
ein modifiziertes Computergehäuse
mit Montagerahmen 11 für
die Luftleiteinrichtung 2 in aufgeklappter Montagestellung
alternativ zur Gestaltung der Luftleiteinrichtung 2 mit
Führungen 10 als
eine vorteilhafte alternative Ausgestaltung der Erfindung dargestellt.
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Dabei wird die Luftleiteinrichtung 2 an
einem Montagerahmen 11 mittels eines Befestigungspunktes 12 an
zwei Seitenwänden
der Luftleiteinrichtung 2 drehbar befestigt.
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4 zeigt
die Stellung der Luftleiteinrichtung 2 vor der Montage
des Computers. Dabei ist das Wärmerohr 5 mit
dem elektronischen Bauteil 9, hier der CPU, thermisch leitend
und statisch fest verbunden und wird durch diese bzw. die Platine
gehalten. Unabhängig
von der Fixierung bzw. Lagerung des Wärmerohres 5 ist die
Luftleiteinrichtung 2 am Montagerahmen 11 derart
drehbar lagernd fixiert, dass die Luftleiteinrichtung 2 während der
Montage, wie in 5 zu
sehen, in das Gehäuseinnere
einklappbar ausgeführt
ist.
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In 5 ist
das modifizierte Computergehäuse
mit Montagerahmen 11 für
die Luftleiteinrichtung 2 in montierter Stellung im eingeklappten
Zustand dargestellt. Der Luftaustritt 4 der Luftleiteinrichtung 2 zeigt
in dieser Darstellung nach oben.
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Besonders vorteilhaft ist diese alternative Ausgestaltung
der Erfindung deshalb, weil einerseits aus Montagegründen eine
unabhängige
Fixierung von Wärmerohr 5 und
Luftleiteinrichtung 2 möglich
ist und andererseits aus Gründen
der Transportsicherung gewährleistet
wird, dass die einzelnen Elemente bzw. Bauteile des Computers derart
fixiert sind, dass beim Transport keine Schäden durch die auftretenden
Beschleunigungen der Einzelkomponenten auftreten können.
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Durch die separate Aufhängung von
Wärmerohr 5 und
Luftleiteinrichtung 2 wird die Transportsicherheit des
Systems erhöht,
da eine gewichtsmäßige Trennung
von Kühlsystem
und Kanal bzw. Luftleiteinrichtung erfolgt und somit die Belastungen
durch Stöße geringere
Wirkungen haben, was sich für
die Dimensionierung der Befestigungen positiv auswirkt.
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Ein ganz besonders hervorzuhebender
Vorteil des erfindungsgemäßen Kühlsystems
liegt darin, dass durch die konstruktive Trennung von CPU mit Wärmerohr
und Luftleiteinrichtung mit Lüfter
eine Schwingungsbelastung der CPU vermieden werden kann. Dies hat
eine Erhöhung
der Lebensdauer der CPU zur Folge.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kühlsystems
liegt darin, dass mit einer einheitlichen Kühlergestaltung sowohl CPU's unterschiedlicher Hersteller
als auch unterschiedlicher Leistung effizient enthitzt werden können.
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In 6 ist
ein erfindungsgemäßes Kühlsystem
mit drei Wärmerohren 5 für CPU, Chipsatz
und GPU in einem liegenden Computer dargestellt. Der Lüfter 8 ist
dabei vorteilhaft zwischen dem Kondensator 7 der CPU und
dem Kondensator 7 des Chipsatzes 13 angeordnet.
Der Luftaustritt 4 weist in dieser Darstellung wiederum
nach oben, im aufgerichteten Zustand des Computers weist der Luftaustritt 4 zur Seite.
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Gleichfalls sind Varianten der Luftleiteinrichtung 2 vom
Erfindungsgedanken umschlossen, die den Luftaustritt 4 in
die Rückwand
oder auch in die horizontale obere Gehäusebegrenzung legen.
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LISTE DER BEZUGSZEICHEN
- 1
- Gehäuse
- 2
- Luftleiteinrichtung
- 3
- Lufteintritt
- 4
- Luftaustritt
- 5
- Wärmerohr
- 6
- Verdampfer
- 7
- Kondensator
- 8
- Lüfter
- 9
- elektronische
Bauteile (GPU, CPU)
- 10
- Führung
- 11
- Montagerahmen
- 12
- Befestigungspunkt
- 13
- Chipsatz