WO1999053392A1 - Vorrichtung zur kühlung eines in einem gehäuse untergebrachten personal computers - Google Patents

Vorrichtung zur kühlung eines in einem gehäuse untergebrachten personal computers Download PDF

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Werner Luplow
Michael Riebel
Stefan Schröder
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/16—Constructional details or arrangements
    • G06F1/20—Cooling means

Definitions

  • the invention relates to a device according to the preamble of patent claim 1.
  • a fan fails, it must either be repaired or replaced, which requires a service outlay, quite apart from the fact that the installation of one or more fans entails considerable costs.
  • the fans provided in the computer require additional space within the housing, which causes an overall larger space requirement for the personal computer.
  • the invention is therefore based on the object of specifying measures for cooling a personal computer and in particular of its heat-critical components such as the microprocessor module, the drives, the power supply and expansion modules, so that certain boundary conditions are met, namely the feasibility of the cooling measures in any PC Housings, especially in flat desktops, minimizing the noise level, maximizing the reliability and sufficient cooling capacity for high-performance microprocessors up to about 50 watts.
  • a combination feature according to the invention has a passive cooling through heat conduction, convection and chimney effects.
  • the invention consists in a combination of features that determines the system design in various points.
  • microprocessor module at a defined position on the system module, preferably at the edge of this module, specified in combination feature a) is not trivial and cannot be compared with solutions from amplifier or power supply technology, since the processor has more than a few hundred high-frequency signals is connected and operated.
  • cooling effect is optimized under the boundary conditions of a possible low desktop case, a minimal noise development as well as a maximum lifespan and reliability of the personal computer.
  • FIG. 1 shows a schematic top view of the interior of a personal computer cooled in accordance with the invention
  • FIG. 2 is a schematic, not to scale side view of that part of the interior of the part shown in FIG. 1 Com- 4 puters, which are responsible for cooling the expansion modules, and
  • FIG. 3 shows a corresponding side view of that part of the interior of this computer which is responsible for cooling the drives and the power supply module.
  • FIG. 1 shows a computer on a housing base 13 (visible in FIGS. 2 and 3) arranged system assembly (motherboard) 1, a microprocessor module 2 and a plug-in card-receiving board (platter) 3, into the expansion modules designed as plug-in cards 4, e.g. a graphics adapter and a sound card are inserted.
  • the microprocessor module 2 connected to the system assembly 1 via a few hundreds of signals is attached to a defined point on this system assembly 1, namely at the edge, in order to establish a direct heat-conducting connection from the microprocessor module 2 to a heat sink 5.
  • the heat sink 5 is provided with a multiplicity of cooling fins 6 projecting outwards or corresponding surfaces optimized for heat emission.
  • the heat sink 5 can form an outer wall of the housing or lie under a cover 7 covering the computer.
  • a power supply module 8, a hard disk drive 9 and a floppy disk drive 10 and CD-ROM drives 11 and 12 are also arranged in the housing of the computer.
  • the housing base 13 has perforations.
  • a housing cover 14 is arranged in the form of an inclined plane at an angle of approximately 10 ° to the horizontal.
  • the slots of the expansion modules 4 in the plug-in card mounting board 3 are arranged at an angle, so that the expansion modules 4 designed as plug-in cards run on inclined planes. Due to the inclined position of the expansion modules 4, an arrow in FIG. 2 shown air flow generated, which starts from the perforated housing base 13, rises between the expansion modules 4 and above the system module 1 and leaves the device at the suitably arranged openings 15 of the housing wall 16 or the cover 7.
  • the inclined planes in which the expansion modules 4 lie run parallel to one another or at least approximately parallel to the housing cover 14, so that the air flow between these elements is conducted to the device openings 15 largely without vortexes.
  • FIG. 3 shows, the hard disk drive 9 and the CD-ROM drive 12 in the total air flow and the CD-ROM drive 11 and the floppy disk drive 10 partly in the total air flow and also in each case arranged in a side-coming supply air channel, so that each of the drives 9 to
  • the hard disk drive 9 is preferably arranged vertically and can be encapsulated to achieve better sound insulation.
  • the cooling of the power supply module 8 takes place by arranging the power components on a cooling body 18 provided with laterally outwardly projecting cooling fins 17 and by the air flow which is generated by the perforation of the housing base 13 and the inclined position of the housing cover 14 and the device is attached to the appropriately attached Opening 6 openings 15 leaves.
  • the heat sink 18, like the heat sink 5, either forms a lateral outer wall of the housing or is located under the cover 7, wherein they are each ventilated via channels and outlet openings.

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Abstract

Die wärmekritischen Elemente des Personal Computers (PC) sind in bezug auf Luftzufuhr- und Luftaustrittsöffnungen im Gehäuse sowie in bezug auf seitlich bzw. an den Außenwänden des Gehäuses angebrachte Kühlkörper (5, 18) so angeordnet, daß eine ausreichende und ausschließlich passive Kühlung durch Wärmeleitung, Konvektion und Kamineffekte erreicht wird. Die Vorrichtung nach der Erfindung läßt sich zur Kühlung von PCs, insbesondere in flacher Desktop-Bauweise verwenden.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Kühlung eines in einem Gehäuse untergebrach- ten Personal Computers
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aufgrund der Wärmeentwicklung ihrer Komponenten sind Personal Computer mit Kühlmaßnahmen auszustatten. Besonders wärmekritische Komponenten sind der Mikroprozessor-Modul, die Laufwerke, die Stromversorgungsbaugruppe und Erweiterungbaugrup- pen, die zumeist in Form von Steckkarten ausgebildet sind. In heute üblicher Weise werden das Gehäuseinnere des Personal Computers und insbesondere die kritischen PC-Komponenten durch einen oder mehrere jeweils durch einen Elektromotor angetriebene Lüfter aktiv zwangsbelüftet und damit für einen Betrieb des Computers ausreichend gekühlt.
Die eingesetzten Lüfter bringen jedoch gewisse Nachteile mit sich. Aufgrund des mechanischen Verschleißes und der Blok- kiermöglichkeit der drehenden Teile besteht stets eine erheb- liehe Ausfallgefahr, der manchmal durch zusätzlich vorgesehene Alarmeinrichtungen begegnet wird.
Bei Ausfall eines Lüfters muß dieser entweder repariert oder ersetzt werden, was einen Serviceaufwand erfordert, ganz ab- gesehen davon, daß bereits der Einbau eines oder mehrerer Lüfter einen beträchtlichen Kostenaufwand mit sich bringt. Außerdem benötigen die im Computer vorgesehenen Lüfter zusätzlichen Raum innerhalb des Gehäuses, wodurch ein insgesamt größerer Raumbedarf des Personal Computers verursacht wird.
Schließlich besteht ein Nachteil der Anwendung von motorisch angetriebenen Lüftern zur Kühlung im Computer auch darin, daß 2 ein beachtlicher Geräuschpegel erzeugt wird, der die unmittelbare Arbeit am Computer negativ beeinflußt und darüber hinaus auch die Tätigkeiten in Räumen, in denen sich ein oder mehrere PCs befinden, erschwert und stört.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zur Kühlung eines Personal Computers und insbesondere von dessen wärmekritischen Komponenten wie dem Mikroprozessor-Modul, den Laufwerken, der Stromversorgung und Erweiterungsbaugruppen anzugeben, so daß bestimmte Randbedingungen eingehalten werden, nämlich die Realisierbarkeit der Kühlmaßnahmen in beliebigen PC-Gehäusen, insbesondere in flachen Desktops, eine Minimierung des Geräuschpegels, eine Maximierung der Ausfallsicherheit und eine ausreichende Kühlleistung für Hochlei- stungs-Mikroprozessoren bis zu etwa 50 Watt.
Die gestellte Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch Anwendung zumindest eines Teils der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Kombinations- merkmale gelöst.
Eine Kombinationsmerkmale nach der Erfindung aufweisende Vorrichtung bewirkt eine passive Kühlung durch Wärmeleitung, Konvektion und Kamineffekte. Die Erfindung besteht in einer Merkmalskombination, die den Systementwurf in verschiedenen Punkten bestimmt.
Die im Kombinationsmerkmal a) angegebene Plazierung des Mikroprozessor-Moduls an einer definierten Stelle auf der Sy- stembaugruppe, vorzugsweise am Rand dieser Baugruppe, ist nicht trivial und nicht mit Lösungen aus der Verstärker- oder Stromversorgungstechnik vergleichbar, da der Prozessor über einige hundert hochfrequente Signale angeschlossen und betrieben wird.
Gegenüber den heute bei PCs realisierten Kühlvorrichtungen mit einem oder mehreren Lüftern ergeben sich durch die Maß- 3 nahmen gemäß der Erfindung wesentliche Vorteile. Die Ausfallsicherheit wird beträchtlich gesteigert, da ein mechanischer Verschleiß und ein Blockieren drehender Teile entfällt. Der technische und kostenmäßige Kühlaufwand für einen Personal Computer wird verringert, da eine Ausstattung mit Lüftern entfällt.
Auch der Serviceaufwand während der Lebensdauer eines Computers wird stark vermindert, da keine Lüfterausfälle mit deren schwerwiegenden Konsequenzen mehr eintreten können. Bezüglich des durch den Personal Computer erzeugten Lärms, ergibt sich durch die Anwendung der durch die Erfindung angegebenen Maßnahmen eine deutliche Reduzierung des Lärmpegels, da keine Motoren- und Luftbewegungsgeräusche erzeugenden Lüfter mehr erforderlich sind.
Bei der Vorrichtung nach der Erfindung werden also in der PC- Technik bisher unbekannte Kühlmöglichkeiten eingesetzt. Die Kühlwirkung wird unter den Randbedingungen eines möglichen niedrigen Desktop-Gehäuses, einer minimalen Schallentwicklung sowie einer maximalen Lebensdauer und Ausfallsicherheit des Personal Computers optimiert.
Zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in drei Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigen:
FIG. 1 eine schematische Draufsicht auf das Innere eines entsprechend der Erfindung gekühlten Personal Computers,
FIG. 2 eine schematische, nicht maßstabsgetreue Seitenansicht desjenigen Teils des Inneren des in FIG. 1 dargestellten Com- 4 puters, der für die Kühlung der Erweiterungsbaugruppen zuständig ist, und
FIG. 3 eine entsprechende Seitenansicht desjenigen Teils des Inneren dieses Computers, der für die Kühlung der Laufwerke und der Stromversorgungsbaugruppe zuständig ist.
Der in FIG. 1 dargestellte Personal Computer weist auf einer über einem Gehäuseboden 13 (sichtbar in FIG. 2 und 3) ange- ordneten Systembaugruppe (Motherboard) 1 einen Mikroprozessor-Modul 2 und eine Steckkarten-Aufnahmeplatine (Platter) 3 auf, in die als Steckkarten ausgebildete Erweiterungsbaugruppen 4, z.B. ein Graphikadapter und eine Soundkarte, eingesteckt sind.
Der mit der Systembaugruppe 1 über einige hunderte Signale verbundene Mikroprozessor-Modul 2 ist an einer definierten Stelle dieser Systembaugruppe 1, nämlich am Rand angebracht, um eine direkte wärmeleitende Verbindung vom Mikroprozessor- Modul 2 zu einem Kühlkörper 5 herzustellen. Der Kühlkörper 5 ist zu diesem Zweck mit einer Vielzahl von nach außen abstehenden Kühlrippen 6 oder entsprechenden zur Wärmeabgabe optimierten Oberflächen versehen.
Der Kühlkörper 5 kann eine Außenwand des Gehäuses bilden oder unter einer den Computer abdeckenden Abdeckhaube 7 liegen. Im Gehäuse des Computers sind noch eine Stromversorgungsbaugruppe 8, ein Festplattenlaufwerk 9 und ein Diskettenlaufwerk 10 sowie CD-ROM-Laufwerke 11 und 12 angeordnet.
Wie in FIG. 2 und/oder 3 in Verbindung mit FIG. 1 zu erkennen ist, weist der Gehäuseboden 13 Perforationen auf. Ein Gehäusedeckel 14 ist in Form einer schiefen Ebene unter ca. 10° gegenüber der Horizontalen schräggestellt angeordnet. Dadurch wird eine in FIG. 3 zu erkennende Luftströmung erzeugt, die vom Gehäuseboden 13 ansteigend das Gerät durch Öffnungen 15 5 in einer Gehäusewand 16 oder in der Abdeckhaube 7 verläßt. Die Luftströmung ist durch Pfeile angedeutet.
Die Steckplätze der Erweiterungsbaugruppen 4 in der Steckkar- ten-Aufnahmeplatine 3 sind schräggestellt angeordnet, so daß die als Steckkarten ausgeführten Erweiterungsbaugruppen 4 in schiefen Ebenen verlaufen. Durch die Schrägstellung der Erweiterungsbaugruppen 4 wird eine hinsichtlich ihres Verlaufs durch Pfeile in FIG. 2 gezeigte Luftströmung erzeugt, die vom perforierten Gehäuseboden 13 ausgeht, zwischen den Erweiterungsbaugruppen 4 sowie über der Systembaugruppe 1 aufsteigt und das Gerät an den geeignet angebrachten Öffnungen 15 der Gehäusewand 16 bzw. der Abdeckhaube 7 verläßt.
Die schiefen Ebenen, in denen die Erweiterungsbaugruppen 4 liegen, verlaufen parallel zueinander oder zumindest annähernd parallel zum Gehäusedeckel 14, so daß die Luftströmung zwischen diesen Elementen weitgehend wirbelfrei zu den Geräteöffnungen 15 geleitet wird.
Wie FIG. 3 zeigt, sind das Festplattenlaufwerk 9 und das CD- ROM-Laufwerk 12 im Gesamtluftstrom und das CD-ROM-Laufwerk 11 sowie das Diskettenlaufwerk 10 teilweise im Gesamtluftstrom und außerdem jeweils in einem seitlich herkommenden Zuluft- Kanal angeordnet, so daß jedes einzelne der Laufwerke 9 bis
12 mit Hilfe des Hauptluftstromes und teilweise mit Hilfe von Zuluft-Kanälen ausreichend Luft erhält. Das Festplattenlaufwerk 9 ist zur optimalen Kühlung vorzugsweise senkrecht gestellt angeordnet und kann zur Erzielung einer besseren Schalldämmung gekapselt ausgeführt werden.
Die Kühlung der Stromversorgungsbaugruppe 8 erfolgt durch eine Anordnung der Leistungsbauteile auf einem mit seitlich nach außen abstehenden Kühlrippen 17 versehenen Kühlkörper 18 sowie durch den Luftstrom, der durch die Perforation des Gehäusebodens 13 und die Schrägstellung des Gehäusedeckels 14 erzeugt wird und das Gerät an den geeignet angebrachten Öff- 6 nungen 15 verläßt. Der Kühlkörper 18 bildet genauso wie der Kühlkörper 5 entweder eine seitliche Außenwand des Gehäuses oder liegt unter der Abdeckhaube 7, wobei sie jeweils über Kanäle und Austrittsöffnungen belüftet werden.

Claims

7 Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Kühlung eines in einem Gehäuse untergebrachten Personal Computers, der in üblicher Weise eine Sy- stembaugruppe (Motherboard) , einen auf der Systembaugruppe angebrachten und dort angeschlossenen Mikroprozessor-Modul, Laufwerke, eine Stromversorgungsbaugruppe und in Form von Steckkarten ausgebildete Erweiterungsbaugruppen enthält, gekennzeichnet durch eine zumindest teilweise Kombi- nation folgender Merkmale: a) dem Mikroprozessor-Modul (2) ist auf der Systembaugruppe (1) definiert ein solcher Platz zugewiesen, daß eine wärmeleitende Verbindung vom Mikroprozessor-Modul zu einem Kühlkörper (5) hergestellt ist, b) der Gehäuseboden (13) ist perforiert ausgebildet und der Gehäusedeckel (14) ist schräggestellt in Form einer schiefen Ebene angeordnet, so daß eine Luftströmung erzeugt wird, die durch an geeigneten Stellen angebrachte Geräteöffnungen (15) aus dem Gehäuse austritt, c) die Steckplätze zur Aufnahme der Erweiterungsbaugruppen (4) sind schräggestellt angeordnet, so daß entlang den in Form schiefer Ebenen verlaufenden Erweiterungsbaugruppen eine Luftströmung erzeugt wird, die durch an geeigneten Stellen angebrachte Geräteöffnungen (15) aus dem Gehäuse austritt, d) die Laufwerke (9 bis 12) sind im Gesamtluftstrom angeordnet, so daß jedes einzelne dieser Laufwerke mit Hilfe von Kanälen ausreichend Luft erhält, e) die Leistungsbauteile der Stromversorgungsbaugruppe (8) sind auf einem Kühlkörper (18) angeordnet, und f) die Stromversorgungsbaugruppe ist in der gemäß dem Kombinationsmerkmal b) definierten Luftströmung angeordnet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung des Kombinationsmerkmals a) der Mikroprozessor-Modul (2) am Rand der Systembaugruppe (1) angeordnet ist. 8
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemäß dem Kombinationsmerkmal a) vorgesehene wärmeleitende Verbindung vom Mikroprozessor-Modul (2) zum Kühlkörper (5) eine direkte Verbindung ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemäß dem Kombinationsmerkmal a) vorgesehene wärmeleitende Verbindung vom Mikroprozessor-Modul (2) zum Kühlkörper (5) durch ein Wärmeübertragungsrohr (Heatpipe) ge- bildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper (5, 18) zumindest teilweise jeweils Bestandteil einer Außenwand des Ge- häuses sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper (5, 18) unter einer den Computer abdeckenden Abdeckhaube (7) versteckt angeordnet sind, wobei sie über Lüftungskanäle und Austrittsöffnungen belüftet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper (5, 18) nach außen ragende Kühlrip- pen oder entsprechende zur Wärmeabgabe optimierte Oberflächen (6, 17) aufweisen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemäß den Kombinationsmerkmalen b) und c) für den Austritt der Luftströmungen vorgesehenen Geräteöffnungen (15) in zumindest einer der Außenwände des Gehäuses oder einer Abdeckhaube (7) angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, daß das entsprechend dem Kombinationsmerkmal d) im
Luftstrom positionierte Festplattenlaufwerk (9) in senkrecht stehender Stellung angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Festplattenlaufwerk (9) in schalldämmender Weise gekapselt ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne der Laufwerke noch zusätzlich an Zusatzluft-Kanälen liegen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Form von Steckkarten ausgebildeten Erweiterungsbaugruppen (4) zur Realisierung des Kombinationsmerkmals c) in Steckplätzen einer senkrecht stehend angeordneten Steckkartenaufnahmeplatine (Platter) (3) befestigt sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schiefen Ebenen, in welchen der Gehäusedeckel (14) und die als Steckkarten ausgebildeten Erweite- rungsbaugruppen (4) verlaufen, zueinander parallel oder zumindest annähernd parallel sind.
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