DE202004003644U1

DE202004003644U1 - Kühlsystem für ein elektronisches Gerät, insbesondere Computer

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Publication number: DE202004003644U1
Application number: DE202004003644U
Authority: DE
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Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2014-03-10
Also published as: WO2005093551A2; WO2005093551A3

Abstract

Kühlsystem für ein elektronisches Gerät (10, 20, 30) mit mindestens einem wärmeabgebenden Bauteil (1, 5, 6) und einem Kühlkreislauf, in dem ein flüssiges Kühlmittel (4) über einen Wärmetauscher (12, 22, 32) zur Aufnahme der von dem mindestens einen Bauteil (1, 5, 6) abgegebenen Wärme und einen Kühler (11, 21, 31) zur Abgabe der Wärme an die Atmosphäre zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulation des Kühlmittels (4) durch Konvektion angeregt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein elektronisches Gerät und ein elektronisches Gerät damit, insbesondere ein Computer.
Nach dem Stand der Technik sind heutige Kühlsysteme auf der Basis von Luftkühlung aufgebaut, die zur Verstärkung der Kühleffektivität mit Lüftern konstruiert sind. Um die Lautstärke der Lüfter zu verringern und um eine bessere Zirkulation des Kühlmediums zu erreichen gibt es seit einigen Jahren Wasserkühlungssysteme.
Beispielsweise ist ein Wasserkühlungs-System, das ohne einen Lüfter für den Kühler auskommt, beschrieben in der Zeitschrift ct „Leise dank Wasser oder Heatpipes", veröffentlicht am 20.10.2003, Ausgabe 22, Heise Zeitschriften Verlag, Hannover mit Verweis auf www.xice.de. Dort wird ein Kühlsystem für ein elektronisches Gerät vorgestellt mit mindestens einem wärmeabgebenden Bauteil und einem Kühlkreislauf, in dem ein flüssiges Kühlmittel über einen Wärmetauscher zur Aufnahme der von mindestens einem Bauteil abgegebenen Wärme und einem Kühler zur Abgabe der Wärme an die Atmosphäre zirkuliert. Bei derartigen Kühlsystemen wird die Zirkulation des Kühlmittels durch eine elektrisch angetriebene Pumpe angeregt.
Die bisherigen wassergekühlten Systeme haben den Nachteil, dass der technische Aufwand sehr hoch ist. Die Pumpe darf nicht durch Luftblasen gestört werden, da sonst die Zirkulation zum Erliegen kommen und sogar die Pumpe zerstört werden könnte. Dieser Umstand bringt wiederum mit sich, dass mit einem geschlossenen Drucksystem gearbeitet und ein Druckausgleichsgefäß benötigt wird, das auch als Luftabscheider dient. Durchaus können diese Systeme mehrere elektronische Bauteile kühlen, da die Pumpe genügend Kapazität hat. Für mehrere elektronische Bauteile wäre ein kompliziertes Regelwerk notwendig, um den Zirkulationsstrom auf die unterschiedliche Abwärme der Bauteile einzustellen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kühlsystem für ein elektronisches Gerät bereitzustellen, welches geräuscharm und energiesparend ist und so die oben beschriebenen Nachteile vermeidet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Patent-Anspruchs 1 gelöst. Durch die Anregung der Zirkulation des Kühlmittels durch Konvektion wird der Lärm und Energieverbrauch der Pumpe vermieden.
Dieses System hat weiterhin den Vorteil, dass die Abwärme der zu kühlenden Bauteile die Zirkulation der Kühlflüssigkeit für jeden Wärmetauscher individuell bestimmt, ohne dass dafür zusätzliche Technik wie Pumpen, Druckbehälter, Wasser- bzw. Luftabscheider usw. zur Steuerung der Kühlung gebraucht wird. Die Konvektion fordert ein freies Auf- und Absteigen der Kühlflüssigkeit, daher spielen Luftblasen keine Rolle, da diese ungehindert aufsteigen können. Damit kann das Kühlsystem offen und drucklos sein und entlastet die kühlflüssigkeitsführenden Bauteile bezüglich ihrer Druckfestigkeit.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Beispielen anhand der Zeichnungen beschrieben, in denen
1 ein abgeschlossenes Kühlsystem mit einer Membran zwischen Kühlflüssigkeit und wärmeabgebenden Bauteilen darstellt;
2 ein abgeschlossenes Kühlsystem mit einem Kühler, der mit den Wärmetauschern über Schläuche verbunden ist, darstellt;
3 ein abgeschlossenes Kühlsystem mit einem Doppelwand-Gehäuse als Kühler, der mit den Wärmetauschern über Schläuche verbunden ist, zeigt; und
4 ein erweitertes Kühlsystem mit mehreren Kühlsystemen aus den 1 bis 3 mit einem gemeinsamen Kühlkreislauf zeigt.
Zur Vereinfachung handelt es sich in allen Beispielen um schematische Schnittzeichnungen, in denen die Kühlflüssigkeit als Schnittebene abstrahiert ist und um gleichartige zu kühlende Hardware. Diese Hardware ist ein Computer 10, 20, 30, der aus einem Netzteil 1 und einem Motherboard 2, das mit einer Grafikkarte 3 bestückt ist, besteht. In den Beispielen werden drei besonders intensive Wärmequellen, die mindestens von der Kühlflüssigkeit 4 gekühlt werden sollten, angenommen, nämlich das Netzteil 1, der Prozessor (CPU) 5 auf dem Motherboard 2 und der Grafikkarten-Chip 6 auf der Grafikkarte 3.
1 zeigt ein abgeschlossenes Kühlsystem mit einer Membrane zwischen Kühlflüssigkeit und wärme abgebenden Bauteilen. Der Computer 10 weist ein Gehäuse 11 auf, das bis zur Membran 12 mit Kühlflüssigkeit 4 gefüllt ist. Die Membran 12 verhindert eine Zerstörung der elektronischen Bauteile 1, 2, 3, 5 und 6 durch das Kühlmittel 4. Die Membrane 12 wird durch das Gewicht der Kühlflüssigkeit 4 an die elektronischen Bauteile 1, 2, 3, 5 und 6 im wesentlichen formgenau angedrückt, ohne einen Überdruck zu verwenden. Formgenau bedeutet hier, dass entsprechend der Flexibilität und Elastizität der Membrane 12 wesentliche Oberflächenteile der Bauteile 1, 2, 3, 5 und 6, aber nicht notwendigerweise alle Oberflächenteile der Bauteile an der Membrane 12 anliegen.
Damit ist eine optimale Wärmebrücke von den elektronischen Bauteilen 1, 2, 3, 5 und 6 über die Membrane 12 an die Kühlflüssigkeit 4 gegeben. Im Betrieb wird die anfallende Abwärme insbesondere von der CPU 5, Grafikkarten-Chip 6 und dem Netzteil 1 an die Kühlflüssigkeit 4 abgegeben. Die erwärmte Kühlflüssigkeit 4 steigt nach oben und kühlt sich an dem Gehäuse 11 ab, das wiederum die Wärme an die Atmosphäre abgibt. Die kalte Kühlflüssigkeit 4 sinkt durch das geringere spezifische Gewicht gegenüber der erwärmten Kühlflüssigkeit 4 nach unten. Dieser Kreislauf der Konvektion verstärkt sich an den Stellen, an denen viel Wärme entsteht, wie in diesem Beispiel an der CPU 5, dem Grafikkarten-Chip 6 und dem Netzteil 1. Ebenfalls ist es unerheblich, ob und wie groß die Luftblase über der Kühlflüssigkeit 4 ist, da das System drucklos ist. Im Falle einer Luftblase kann die warme Kühlflüssigkeit 4 zwar durch die Luftblase schlechter die Wärme an das Gehäuse 11 nach oben abgeben, jedoch verbleiben die warmen Kühlflüssigkeits-Anteile 4 bis zu ihrer Abkühlung oben und die verbleibende Kühlung durch die Seitenwände reicht aus. Eine Überwachung 13 des Flüssigkeitsstandes hilft, die Wasser- und damit die Wärmesäule nicht unter Minimum fallen zu lassen.
2 zeigt ein abgeschlossenes Kühlsystem mit einem Kühler, der mit den Wärmetauschern über Schläuche verbunden ist. Der Computer 20 ist mit einem Kühler 21 und Wärmetauschern 22, 22', 22" über Schläuche 24 und 25 verbunden. Die Schläuche 24 und 25 verlaufen möglichst senkrecht, um die Konvektion zu fördern. Die Wärmetauscher 22, 22', 22" sind den Gegebenheiten der elektronischen Wärmequellen 1,5 und 6 technisch angepasst. Das Netzteil 1 besitzt mehrere Wärmequellen. Der Wärmetauscher 22 für das Netzteil 1 leitet über eine Membran die Wärme an die Kühlflüssigkeit 4 weiter nach dem gleichen Prinzip wie in Beispiel 1 beschrieben. Die Wärmetauscher 22' für die CPU 5 und 22" für den Grafikkarten-Chip 6 sind unterschiedlich groß, da sie unterschiedlich Wärme abführen müssen. Da die Konvektionskühlung keine Regelwerkzeuge im laufenden Betrieb kennt, müssen alle flüssigkeitsführenden Bauteile über die statische Größe eine Anpassung von Zirkulationsmenge und Geschwindigkeit der Kühlflüssigkeit 4 vorgeben.
Der Kühler 21 bestimmt durch die Fläche die Wärmeabgabe an die Atmosphäre und damit die Konvektionsgeschwindigkeit der absteigenden Strömung. Die abgekühlte Kühlflüssigkeit 4 sinkt durch das geringere spezifische Gewicht durch den Kühler 21 nach unten und erreicht über die Zulaufschläuche 24 die Wärmetauscher. Die Kühlflüssigkeit 4 dehnt sich in den Wärmetauschern 22 bei der Aufnahme der Abwärme aus und steigt nach oben in die Steigleitungen 25 zum Kühler 21, um dort wieder abgekühlt zu werden.
3 zeigt ein abgeschlossenes Kühlsystem mit einem Doppelwand-Gehäuse als Kühler, der mit den Wärmetauschern über Schläuche verbunden ist. Der Computer 30 arbeitet mit einem Doppelwand-Gehäuse 31 als Kühler, der mit den Wärmetauschern 32 über Schläuche 34 und 35 verbunden ist. Die Zulauf-Schläuche 34 führen die kühle Kühlflüssigkeit 4 von unten an die Wärmetauscher 32 heran, während die Steigleitungen 35 nach oben aus den Wärmetauschern die aufsteigende warme Kühlflüssigkeit 4 heraus führen. Im doppelwandigen Gehäuse 31 kühlt sich die Kühlflüssigkeit 4 ab und gelangt über die Seitenwände 33 wieder nach unten. Wie im Beispiel gemäß 1 werden auch elektronische Bauteile gekühlt, die nicht unbedingt gekühlt werden müssten. Im Beispiel gemäß 1 zieht sich die Membrane 12 und damit die Kühlflüssigkeit 4 über alle elektronischen Bauteile und kühlt damit die gesamte Elektronik. Bei dem doppelwandigen Gehäuse 31 sind die Platinen von Netzteil 1 und Motherboard 2 mit der Innenwand der Seitenwände 33 verbunden und Abwärme der Platinen kann durch die Wand in die Kühlflüssigkeit 4 abgeführt werden. Umgekehrt bedeutet es, dass jedes Bauteil, das mit dem Gehäuse in Verbindung steht, gekühlt wird, und da die meisten elektronischen Bauteile selbst wärmeleitend sind, wird der Innenraum des Computers 30 gekühlt. Aus diesem Grund könnte ohne Probleme zum Beispiel die Grafikkarte 3 mit einem Original-Lüfter verwendet werden, ohne eine Überhitzung des staubdichten Innenraums oder der Grafikkarte zu befürchten.
4 zeigt ein erweitertes Kühlsystem mit mehreren Kühlsystemen aus den 1 bis 3 mit einem externen Kühlaggregat mit einem gemeinsamen erweiterten Kühlkreislauf der aus den 1 bis 3 bekannten elektronischen Geräte, zum Transport der Abwärme nach draußen.
Das externe Kühlaggregat 40 besteht im einfachsten hier angenommenen Fall aus einem Kühler 41, einem Vorratsbehälter 42 und einer Pumpe 43. Die Zulaufschläuche 44 führen über die Pumpe 43 die kühle Kühlflüssigkeit 4 zu den elektronischen Geräten wie die Computer 10, 20 und 30 aus den 1 bis 3. Die von unten eingeführte Kühlflüssigkeit 4 gelangt zu den elektronischen Bauteilen und nimmt die Abwärme auf. Dabei wird die Konvektion in den elektronischen Geräten unterstützt und bleibt in jedem Fall, auch bei Ausfall des externen Kühlaggregats 40, erhalten. Die langsam fließende, aufsteigend warme Kühlflüssigkeit 4 läuft aus den Computern 10, 20 und 30 über und läuft drucklos, bzw. hat nur den atmosphärischen Druck und den natürlichen Druck der Flüssigkeits-Säule, wieder über die Rücklaufleitung 45 in das externe Kühlaggregat. Die Anschlussventile 46 haben die Aufgabe, ungewollten Rücklauf oder ein Auslaufen zu verhindern und sind nur in Flussrichtung durchgängig. Zum Anderen verhindern sie, dass beim Abkoppeln der elektronischen Geräte Kühlflüssigkeit 4 ausläuft, weder aus den Computern 10, 20 und 30 noch aus dem externen Kühlaggregat 40. Damit ist garantiert, dass die Konvektionskühlung immer erhalten bleibt, auch beim An- und Abkoppeln im laufenden Betrieb. Kleinere Verunreinigungen und Luftblasen, die beim An- oder Abkoppeln in das Kühlsystem gelangen, führen zu keinen Störungen, da die Luftblasen ungehindert aufsteigen und Verschmutzungen nach unten absacken können. Das freie Auf- und Absteigen fordert die Konvektionskühlung, die hier eine positive Synergie bietet.
In dem Ventil 46 der Zulaufleitungen ist zusätzlich ein Drosselventil vorhanden, mit dessen Hilfe die Kühlflüssigkeitsmenge angepasst werden kann. Es geht dabei nicht um die Kühlflüssigkeitsmenge für die elektronischen Bauteile 1, 5 und 6 in 1 bis 3, da dort die Abwärme die Konvektion auf natürliche An steuert, sondern um die Gesamtmenge der Kühlflüssigkeit 4, die in jedem Computer 10, 20 und 30 durchlaufen wird. Diese Gesamtmenge der Kühlflüssigkeit 4 kann durch unterschiedliche Aufbauhöhen der Computer 10, 20 und 30 sowie durch unterschiedliche Entfernungen zum externen Kühlaggregat 40 in jedem Computer 10, 20 und 30 unterschiedlich sein. Die individuelle Durchlaufgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit 4 für jeden Computer 10, 20 und 30 soll so eingestellt werden, dass die Konvektion so wenig wie möglich beeinträchtigt wird, aber die erwärmte Kühlflüssigkeit 4 zum externen Kühlaggregat 40 abgeführt wird.
Zusammenfassung
In einem Kühlsystem für ein elektronisches Gerät (10, 20, 30), insbesondere einen Computer, mit mindestens einem wärmeabgebenden Bauteil (1, 5, 6) und einem Kühlkreislauf, in dem ein flüssiges Kühlmittel (4) über einen Wärmetauscher (12, 22, 32) zur Aufnahme der von dem mindestens einen Bauteil (1, 5, 6) abgegebenen Wärme und einen Kühler (11, 21, 31) zur Abgabe der Wärme an die Atmosphäre zirkuliert, wird die Zirkulation des Kühlmittels durch Konvektion angeregt. Weitere Informationen unter htt://Wasser-computer.de oder http://WaterComputer.com.

Claims

Kühlsystem für ein elektronisches Gerät (10, 20, 30) mit mindestens einem wärmeabgebenden Bauteil (1, 5, 6) und einem Kühlkreislauf, in dem ein flüssiges Kühlmittel (4) über einen Wärmetauscher (12, 22, 32) zur Aufnahme der von dem mindestens einen Bauteil (1, 5, 6) abgegebenen Wärme und einen Kühler (11, 21, 31) zur Abgabe der Wärme an die Atmosphäre zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulation des Kühlmittels (4) durch Konvektion angeregt wird.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem keine extern angetriebene Pumpe aufweist.
Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher eine Membran (12) aufweist, deren eine Seite im Kontakt mit dem mindestens einen wärmeabgebenden Bauteil (1, 5, 6) ist, und deren andere Seite in Kontakt mit dem Kühlmittel (4) ist.
Kühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Membran (12) durch das Eigengewicht des Kühlmittels (4) formgenau an das mindestens eine wärmeabgebende Bauteil (1, 5, 6) anpasst.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (21) einen Teil einer Außenwand des Gehäuses bildet.
Kühlsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler einen Teil einer doppelwandigen Außenwand (31) des Gehäuses bildet.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler außerhalb der Außenwand des elektronischen Geräts angeordnet ist.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Kühlmittel (4) führende Bauteile im Wesentlichen senkrecht durchströmt werden.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (4) unter Umgebungsdruck steht.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem eine Vorrichtung (13) zur Überwachung des Flüssigkeitsstands aufweist.
Erweitertes Kühlsystem für ein elektronisches Gerät mit mindestens einem Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 – 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kühlsystem mit einem externen Aggregat (40) verbunden ist, wobei Kühlmittel (4) derart zwischen dem Kühlsystem und Aggregat (40) ausgetauscht wird, dass die Konvektion in jedem Kühlsystem erhalten bleibt.
Elektronisches Gerät mit einem Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1–10.
Elektronisches Gerät nach Anspruch 12, wobei das elektronische Gerät ein Computer ist.