DE102016119095A1

DE102016119095A1 - Computersystem

Info

Publication number: DE102016119095A1
Application number: DE102016119095.0A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Kannler
Original assignee: Fujitsu Technology Solutions Intellectual Property GmbH
Current assignee: Fujitsu Client Computing Ltd
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2018-04-12
Anticipated expiration: 2036-10-08
Also published as: DE102016119095B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Computersystem (1), aufweisend
– ein zumindest partikeldichtes Computergehäuse (2), in welchem ein Innenraum (4) ausgebildet ist;
– eine in dem Innenraum (4) angeordnete wärmeerzeugende Komponente;
– einen im Innenraum (4) angeordneten Kühlkörper (8) mit einem Kühlkanal (16), wobei der Kühlkörper (8) thermisch mit der wärmeerzeugenden Komponente verbunden ist;
– einen mit Luft durchströmbaren Wärmetauscher (3) zum Wärmeenergieaustausch mit einer Umgebung des Computersystems (1);
– einen im Innenraum (4) angeordneten Lüfter (9);
wobei
– der Wärmetauscher (3) fluidisch mit dem Kühlkanal (16) gekoppelt ist, so dass Luft von dem Kühlkanal (16) über den Wärmetauscher (3) in den Innenraum (4) des Computergehäuses (2) strömen kann; und
– der Lüfter (9) eingerichtet ist, Luft aus dem Innenraum (4) des Computergehäuses (2) anzusagen und in den Kühlkanal (16) des Kühlkörpers (8) einzublasen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Computersystem, welches ein Computergehäuse mit einem Innenraum aufweist, in welchem eine wärmeerzeugende Komponente angeordnet ist.
Computersysteme, beispielsweise Desktop- oder Tower-Computer, erzeugen in ihrem Betrieb eine verhältnismäßig große Menge an Abwärme, die zum sicheren Betrieb des Computersystems abgeführt werden muss. Eine wesentliche Wärmequelle stellt dabei ein Prozessor des jeweiligen Computersystems dar. Derartige Computersysteme sind typicherweise mit einer Hauptplatine ausgestattet, an welcher ein Systemlüfter angeschlossen ist. Der Systemlüfter ist im Inneren eines Gehäuses des Computersystems angeordnet und saugt frische Umgebungsluft zum Kühlen in das Innere des Gehäuses ein. Hierbei weist das Gehäuse in der Regel nicht im Bereich des Systemlüfters, sondern auch in anderen Bereichen des Gehäuses Öffnungen auf, über welche die Luft ins Innere des Gehäuses gesogen werden kann.
Für verschiedene Anwendungsfälle eines Computersystems, etwa bei Dauerbetrieb in einer staubigen Umgebung, kann es jedoch nachteilig sein, dass dieses für das Ansaugen und Ausblasen der Kühlluft zur Umgebung hin geöffnet ist.
Eine Aufgabe, welche der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Kühlkonzept für ein Computersystem zu beschreiben, welches zu einer effizienten Kühlung und flexiblen Verwendbarkeit des Computersystems beiträgt.
Es wird ein Computersystem offenbart, welches ein zumindest partikeldichtes Computergehäuse aufweist, innerhalb welchem ein Innenraum ausgebildet ist. Das Computersystem weist eine in dem Innenraum angeordnete, wärmeerzeugende Komponente auf. Weiterhin ist ein im Innenraum angeordneter Kühlkörper mit einem Kühlkanal vorgesehen, wobei der Kühlkörper thermisch mit der wärmeerzeugenden Komponente verbunden ist. Das Computersystem weist weiter einen mit Luft durchströmbaren Wärmetauscher zum Wärmeenergieaustausch mit einer Umgebung des Computersystems auf. Weiterhin ist im Innenraum des Computergehäuses ein Lüfter angeordnet. Der Wärmetauscher ist fluidisch mit dem Kühlkanal gekoppelt, sodass Luft von dem Kühlkanal über den Wärmetauscher in den Innenraum des Computergehäuses strömen kann, etwa diffus oder nicht über eine Kanalleitung. Der Lüfter ist eingerichtet, Luft aus dem Innenraum des Computergehäuses anzusaugen und in den Kühlkanal des Kühlkörpers einzublasen.
Das Computersystem ist partikeldicht ausgebildet, so dass ein Austausch von Luft zwischen einer Umgebung und dem Gehäuseinneren im Wesentlichen unterbunden ist. Das Computersystem wird durch einen in dem Computersystem im Betrieb ausgebildeten, nach außen abgeschlossenen Luftkreislauf gekühlt. Mit anderen Worten wird eine innerhalb des Computergehäuses ausgebildete aktive Luftkühlung erzeugt.
Dies trägt dazu bei, dass im Gehäuse keine punktuellen Wärmequellen, sogenannte Hot Spots, ausgebildet werden, da die Luft in das Computergehäuse, etwa den Innenraum, eingeblasen wird. Es ist kein geschlossenes Luftkanalsystem ausgebildet, sondern die Luft wird nur teilweise über den Kühlkörper dem Wärmetauscher geschlossen zugeführt, während der Lüfter selbst Luft aus dem gesamten Innenraum des Computergehäuses ansaugt. Dadurch kann auch Abwärme von anderen im Gehäuse befindlichen Komponenten effektiv und effizient über den Wärmetauscher abgeführt werden. Das beschriebene System ermöglicht es kältere Bereich, beispielsweise kalte Ecken, in dem Computergehäuse zu vermeiden. Dies trägt weiter dazu bei eine Kondenswasserbildung zu reduzieren oder zu verhindern. Auch ist es möglich, sämtliche im Gehäuse befindlichen Komponenten auf eine etwa gleiche Temperatur zu kühlen.
Dies wäre bei rein passiv gekühlten Systemen beispielsweise nicht möglich, da hierbei nur die Abwärme einer wärmeerzeugenden Komponente, die mit einem Kühlkörper thermisch verbunden ist, über einen direkte thermische Kontakt des Passiv-Kühlkörpers mit einer Gehäuseseite abgeführt würde. Aufgrund der direkten mechanischen Kontakte der beteiligten Bauteile würde typischerweise ein spezieller Toleranzausgleich benötigt, um beispielsweise mechanische Verspannungen aufgrund von Fertigungstoleranzen zu kompensieren.
Weiterhin kann das Computersystem für spezielle Anwendungsfälle, beispielsweise als Internet-of-Things-Gerät oder Industrie-PC verwendet werden, welche typischerweise in einem Dauerbetrieb eingesetzt werden. Das dichte Gehäuse ermöglicht, dass beispielsweise kein Staub oder Wasser in das System eingebracht wird, wodurch die Komponenten im Gehäuse Schaden nehmen könnten. Somit wird dazu beigetragen, dass das Computersystem unter erschwerten Umweltbedingungen über längere Zeiträume, etwa viele Jahre, sicher arbeiten kann.
Durch das beschriebene Kühlsystem kann das Computersystem besonders geschützt ausgebildet sein. Beispielsweise ist das Computersystem gegen Einflüsse von außen, wie z.B. Staub, Fremdkörper, Berührung, Feuchtigkeit und Wasser geschützt gemäß einer IP-Schutzart (kurz für englisch: international protection) nach den Normen IEC 60529 bzw. DIN EN 60529. Letztere legen Grade der Schutzart fest und teilen diese in Klassen ein. Ein Grad der Schutzart ist beispielsweise an einen vorgesehenen Einsatz des Computersystems angepasst. Beispielsweise ist das Computersystem gemäß der Schutzart IP 44 oder darüber hinaus ausgebildet. Beispielsweise ist das Computersystem geeignet ausgebildet, einen Betrieb in einem Umgebungstemperaturbereich zwischen –20° Celsius und +60° Celsius zu ermöglichen. Einsaugen von Umgebungskühlluft in ein Computersystem über Öffnungen würde es erheblich erschweren oder sogar verhindern hohe Grad von IP-Schutzarten zu erreichen.
Zudem kann das Gehäuse aus speziellen Materialien zusammengesetzt oder zusätzlich mit solchen versehen sein, um eine thermische, Schall- oder Vibrationsdämpfung zu ermöglichen. Dies liegt unter anderem daran, dass keine Rücksicht auf Öffnungen des Computergehäuses genommen werden muss und eine besonders hohe Gestaltungsfreiheit gegeben ist.
Zumindest partikeldicht bedeutet beispielsweise staubdicht. Zusätzlich oder alternativ ist das Gehäuse wasserdicht, etwa geschützt gegen Spritzwasser, Tropfen oder fester Wasserstrahlen. Insbesondere ist das Gehäuse so ausgebildet, dass dieses im Wesentlichen luftdicht ausgebildet ist. Im Wesentliche sind keine Öffnungen oder Spalte im Gehäuse vorgesehen, sodass ein Luftaustausch von innen nach draußen oder umgekehrt im Wesentlichen unterbunden ist Beispielsweise kann keine oder nahezu keine Luft von außerhalb des Computersystems in das Computergehäuse eindringen oder eingesogen werden. Mit anderen Worten ist das Gehäuse dicht ausgebildet. Eine beispielhafte Partikelgröße beträgt 1 mm oder kleiner. Die Luftdichtigkeit von Anschlüssen des Computersystems, etwa I/O-Ports wie USB-, LAN- und weiteren Anschlüssen, stellen kritische Bereich bezüglich einer zu erreichenden Partikel- und/oder Luftdichtigkeit dar, insbesondere für Partikel kleiner 1 mm. Beispielsweise mit sogenannten Gaskets, etwa mit Metallgewebe ummantelte Schaumstoffe, können derartige Anschlüsse ausreichend partikel- und/oder luftdicht abgedichtet werden.
Der Kühlkanal ist in dem Kühlkörper ausgebildet und ist mit Luft durchströmbar. Beispielsweise begrenzen Wandungen des Kühlkörpers den Kühlkanal. Der Kühlkanal verbindet einen Kanaleinlass und einen Kanalauslass des Kühlkörpers. Thermisch verbunden bedeutet, dass Wärme der wärmeerzeugenden Komponente auf den Kühlkörper und deren Material übertragen wird und von dort auf die Luft übergeht. Beispielsweise ist der Kühlkörper mittels einer Kontaktoberfläche direkt mit der wärmeerzeugenden Komponente verbunden.
Der Wärmetauscher ist zum Austausch von Wärmeenergie mit einer Umgebung des Computersystems eingerichtet. Mit anderen Worten wird über den Wärmetauscher Wärmeenergie des Computersystems an die Umgebung abgegeben. Beispielsweise weist der Wärmetauscher einen Lufteinlass und einen Luftauslass auf.
Fluidisch gekoppelt bedeutet, dass zwei Komponenten über eine Luftführung, Luftleitung oder Luftkanal verbunden sind, sodass Luft der einen Komponente vollständig der anderen Komponente zugeführt wird. Mit anderen Worten ausgedrückt handelt es sich um eine abgeschlossene fluidische Verbindung zwischen den beiden Komponenten. Dadurch wird die Luft, die in den Kühlkanal eingeblasen wird, von dem Kühlkörper direkt dem Wärmetauscher zugeführt.
Der Lüfter ist beispielsweise direkt an dem Kühlkörper angeordnet, etwa angeflanscht oder montiert, sodass von dem Lüfter angesaugte Luft aus dem Innenraum direkt und ausschließlich in den Kühlkanal eingeblasen wird. Beispielsweise ist der Lüfter kraft- und formschlüssig mit dem Kühlkörper verbunden. Beispielsweise ist der Lüfter über einen Verrastmechanismus mit dem Kühlkörper mechanisch gekoppelt.
Die wärmeerzeugende Komponente ist beispielsweise ein Prozessor des Computersystems, der auf einem Mainboard oder einer Hauptplatine des Computersystems angeordnet ist. Insbesondere ein Prozessor produziert im Betrieb eine hohe Abwärme, die sicher abgeführt werden muss.
Gemäß einer Ausgestaltung sind ein Lufteinlass des Wärmetauschers, welcher mit dem Kühlkanal fluidisch gekoppelt ist, und ein Luftauslass des Wärmetauschers im Innenraum des Computergehäuses angeordnet. Dies trägt dazu bei, dass der aktive Kühlkreislauf ausschließlich innerhalb des Computersystems beziehungsweise innerhalb des Computergehäuses stattfindet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Wärmetauscher eine Wärmetauscheroberseite auf, die eine Außenseite des Computergehäuses bildet. Über die Wärmetauscheroberseite steht der Wärmetauscher in thermischem Kontakt mit der Umgebung des Computersystems. Der Wärmetauscher bildet etwa einen Teil des Computersystems und begrenzt somit zumindest teilweise den Innenraum dessen. Optional ist der Wärmetauscher an der Wärmetauscheroberseite für eine Oberflächenvergrößerung ausgebildet, etwa profiliert, zinnenartig oder dergleichen. Beispielsweise weist der Wärmetausche an der Oberseite eine Rippenstruktur, etwa Kühlrippen, auf. Dadurch wird zu einem besseren Wärmetausch beigetragen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Wärmetauscher als Diffusor ausgebildet. Der Diffusor sorgt dafür, dass die dem Wärmetauscher von dem Kühlkörper zugeführte erwärmte Luft verzögert und entspannt wird, aufgrund von einem erweiterten Volumen des Diffusors. Die erwärmte Luft erhält im Diffusor somit Zeit, die Wärme auf die Kühlrippen und somit nach außen zu übertragen. Beispielsweise ist ein Strömungsquerschnitt des Diffusors im Vergleich zu einem Strömungsquerschnitt des Kühlkörpers derart vergrößert, dass eine Strömungsgeschwindigkeit der erwärmten Luft im Vergleich zu einem Kühlkanalauslass oder -ausgang deutlich reduziert ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Wärmetauscher auf einer Seite, die dem Innenraum zugewandt ist, eine Wärmeisolierung auf. Die dem Innenraum zugewandte Seite begrenzt den Innenraum des Computergehäuses. Die Wärmeisolierung trägt dazu bei, dass die Wärmeenergie der erwärmten Luft, die dem Wärmetauscher zugeführt wird, nahezu ausschließlich an die Umgebung des Computersystems abgegeben wird und nicht zumindest teilweise an Luft und Komponenten in dem Innenraum übertragen wird.
Gemäß einer Ausgestaltung ist die Wärmeisolierung durch eine abgeschlossene, mit Luft gefüllte Kammer gebildet.
Gemäß einer Ausgestaltung weist der Kühlkörper einen Kanaleinlass und einen Kanalauslass auf und ist so ausgebildet, dass der Kanalauslass in Richtung des Wärmetauschers weist, insbesondere entgegen einer Schwerkraftrichtung in einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Computersystems. In dem bestimmungsgemäßen Betrieb des Computersystems ist letzteres so angeordnet oder aufgestellt, dass eine Oberseite des Computersystems beziehungsweise des Computergehäuses durch den Wärmetauscher gebildet ist. Der Kanalauslass des Kühlkörpers im Inneren des Computersystems ist in Richtung des Wärmetauschers, etwa nach oben entgegen der Schwerkraftrichtung, geöffnet. Dies begünstigt den Wärmetransport an die Umgebung, wobei warme Luft typischerweise das Bestreben hat, aufzusteigen. Mit anderen Worten ausgedrückt liegt ein Wärmetauschereinlass, der Lufteinlass, in der betriebsgemäßen Anordnung des Computersystems in einer Ebene oberhalb des Kühlkanalauslasses.
Gemäß einer Ausgestaltung weist der Kühlkanal einen Kanaleinlass und einen Kanalauslass auf und ist so ausgebildet, dass sich ein Strömungsquerschnitt zumindest teilweise vom Kanaleinlass zu dem Kanalauslass hin verringert. Beispielsweise verringert sich der Strömungsquerschnitt konstant und/oder stetig. Dies trägt dazu bei, dass im Kühlkanal selbst keine Umlenkungen oder Strömungshindernisse ausgebildet sind. Durch die Verringerung des Strömungsquerschnitts wird erreicht, dass eine Strömungsgeschwindigkeit der Luft innerhalb des Kühlkörpers zunimmt. Dies liegt daran, dass ein von dem Lüfter erzeugter Volumenstrom konstant bleibt. Aufgrund der Geschwindigkeitserhöhung nimmt ein Strömungsdruck innerhalb des Kühlkörpers zu, insbesondere wird ein Druck auf den Kühlkörper, also dessen Wandungen, die den Kühlkanal begrenzen, erhöht. Dies trägt zu einem verbesserten Wärmeübergang von der wärmeerzeugenden Komponente auf die Kühlluft bei. Beispielsweise verläuft der Kühlkanal spiralförmig und verringert seinen Strömungsquerschnitt. Insbesondere aufgrund des spiralförmigen Verlaufs gibt es keine Hindernisse, eckige Umlenkungen oder dergleichen, die die Strömung behindern und einen Druckabfall darstellen könnten.
Gemäß einer Ausgestaltung verringert der Strömungsquerschnitt bezüglich einer Dimension, etwa einer Kühlkanalbreite. Beispielsweise ist der Kühlkanal so ausgebildet, dass der Kühlkanal zumindest teilweise einen Verlauf gemäß einer logarithmischen Spirale aufweist. Die logarithmische Spirale zeichnet sich insbesondere durch einen stetigen und sich konstant verringernden Strömungsquerschnitt des Kühlkanals aus. Dadurch dreht sich der Kühlkanal etwa spiralförmig zu einer Mitte hin oder nach innen ein. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Luft erhöht und die beschriebenen Effekte treten ein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung verringert sich der Strömungsquerschnitt bezüglich zweier Dimensionen, etwa bezüglich einer Kühlkanalbreite und einer Kühlkanalhöhe. Dies trägt besonders dazu bei, dass die Kühlluft innerhalb des Kühlkörpers zum Kühlauslass hin beschleunigt wird. Beispielsweise ist der Kühlkörper so ausgebildet, dass der Kühlkanal zumindest einen Verlauf gemäß einer Loxodrome aufweist. Dadurch wird ein spiralförmiger Kühlkanalverlauf vorgegeben, bei welchem sich der Strömungsquerschnitt über zwei Dimensionen verringert. Dabei verringert sich der Strömungsquerschnitt stetig. Dies trägt besonders zu den beschriebenen Effekten bei.
Gemäß einer Ausgestaltung sind im Kühlkanal ein oder mehrere Kühlrippen angeordnet, die sich in Richtung einer Strömungsrichtung der Luft durch den Kühlkanal erstrecken. In Strömungsrichtung bedeutet, dass die Rippen parallel oder tangential zu den den Kühlkanal begrenzenden Kühlkanalwänden oder -wandungen verlaufen. Mit anderen Worten sind die Kühlrippen tangential zu dem Verlauf des Kühlkanals angeordnet. Mit anderen Worten folgen die Kühlrippen dem Verlauf des Kühlkörpers. Dadurch stellen die Kühlrippen selbst im Wesentlichen keine Strömungshindernisse für die Kühlluft durch den Kühlkanal dar. Die Kühlrippen tragen dazu bei, dass Wärme besonders effektiv von der wärmeerzeugenden Komponente über den Kühlkörper auf die Luft übertragen wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Kühlkörper zur Begrenzung des Kühlkanals dünnwandig ausgebildet. Dies trägt zu einem besonders effektiven Wärmeübergang bei. Insbesondere ist es nicht notwendig, einen massiven Kühlkörper herzustellen. Weiterhin ist ermöglicht, den Kühlkörper zweiteilig herzustellen, wobei beispielsweise ein Grundkörper und ein Deckel zur Bildung des Kühlkanals zusammengefügt sein können.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Lüfter integraler Bestandteil des Kühlkörpers. Dadurch kann der Lüfter mit dem Kühlkörper zusammen als eine Baueinheit an die wärmeerzeugende Komponente angeordnet werden.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass der Kühlkörper und die zugehörig beschriebenen Merkmale auch unabhängig von dem beschriebenen Computersystem verwendet werden, etwa in anderen, nicht dichten Systemen. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn ein besonders effektiver Wärmeübergang von einer zu kühlenden Komponente erwünscht ist.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das Computersystem ein Internet-of-Things-Gerät. Bei derartigen IoT-Geräten ist typischerweise ein 24-Stunden-Betrieb gewünscht. Dabei muss sichergestellt sein, dass ein solches Gerät beispielsweise vor Umgebungseinflüssen geschützt ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Funktionen sind in der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung von einem Ausführungsbeispiel offenbart.
Das Ausführungsbeispiel wird unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren nachfolgend beschrieben. Gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den Figuren zeigen:
1A und 1B zwei perspektivische Ansichten eines Computersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine perspektivische Innenansicht des Computersystems,
3 eine weitere perspektivische Innenansicht des Computersystems,
4 eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe umfassend einen Kühlkörper und einen Lüfter,
5 eine Explosionsdarstellung der Baugruppe,
6 eine schematische Querschnittsansicht des Kühlkörpers und
7 bis 9 drei verschiedene Querschnittsansichten des Computersystems.
1A und 1B zeigen zwei perspektivische Ansichten eines Computersystems 1. Das Computersystem 1 hat ein Computergehäuse 2, wovon eine Seite durch einen Wärmetauscher 3 gebildet ist, der als Diffusor ausgebildet ist. Das Computergehäuse 2 ist zu einer Umgebung des Computersystems 1 hin dicht, insbesondere partikeldicht, so dass keine Luft von außen in das Computersystem 1 oder von innerhalb nach außen gelangen kann. Auf einer Seite weist das Computersystem 1 optional mehrere Anschlüsse, beispielsweise USB-Anschlüsse, einen DVI-Anschluss und andere, auf. Auf einer anderen Seite ist ein Netzanschluss vorgesehen. Die Anschlüsse sind lediglich exemplarisch zu verstehen und können je nach Ausgestaltung des Computersystems 1 variieren. Entscheidend ist, dass das Computersystem 1 dicht ist und im Wesentlichen keine Luft von außen nach innen eindringen kann. Die Anschlüsse sind daher so abgedichtet, dass keine Luft eindringen kann. Das Computersystem 1 ist im betriebsgemäß aufgestellten Zustand gezeigt, wobei der Wärmetauscher 3 die Oberseite des Computersystems 1 bildet.
Das Computersystem 1 erfüllt die Anforderung einer IP-Schutzart, etwa IP-44 oder mehr. Das Computersystem 1 ist als Internet-of-Things-Gerät (kurz: IoT) ausgebildet und ist insbesondere eingerichtet für einen durchgehenden 24-Stunden-Betrieb. Das Computersystem 1 kann auch für andere Anwendungen verwendet werden und beispielsweise hinsichtlich seiner äußeren Abmessungen variieren. Das Computersystem eignet sich beispielsweise für einen Betrieb in einem Temperaturbereich von –20° bis +60° Celsius. Aufgrund dieser Rahmenbedingungen ist ein besonderes Kühlsystem notwendig, welches nachfolgend anhand des Ausführungsbeispiels beschrieben wird.
2 und 3 zeigen das Computersystem 1 von innen aus verschiedenen Blickrichtungen, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine Darstellung des Computergehäuses 2 verzichtet ist. In dem Computergehäuse 2 ist ein Innenraum 4 ausgebildet, der durch die Seitenwände des Computergehäuses 2 und den Wärmetauscher 3 begrenzt ist. Innerhalb des Innenraums 4 des Computergehäuses 2 ist eine Hauptplatine 5 angeordnet, auf der mehrere elektronische Komponenten wie Anschlüsse, Spannungsregler oder dergleichen angeordnet sind. Die Hauptplatine 5 entspricht im Ausführungsbeispiel dem Mini-ITX Formfaktor, wobei andere Systemplatinen ebenso denkbar sind. Weiterhin ist ein Netzteil 6 zur Spannungsversorgung im Innenraum 4 angeordnet. Eine wesentliche Wärmequelle im Betrieb stellt ein Prozessor 7 des Computersystems dar, welcher auf der Hauptplatine 5 angeordnet ist und eine wärmeerzeugende Komponente bildet.
Das Computersystem 1 zeichnet sich durch eine in dem Computersystem 1 beziehungsweise Computergehäuse 2 ausgebildete aktive Luftkühlung aus. Um das Computersystem 1 effektiv zu kühlen, ist auf den Prozessor 7 ein Kühlkörper 8 mit daran angeordnetem Lüfter 9 angeordnet. Der Kühlkörper 8 und der Lüfter 9 stellen eine Baugruppe oder Baueinheit dar, die zusammen auf dem Prozessor anordenbar ist. Der Lüfter 9 ist beispielsweise ein 40 × 40 mm Lüfter, der Lüfterdrehzahlen zwischen 1500 bis 23000 Umdrehungen pro Minute erreichen kann. Der Kühlkörper 8 hat beispielsweise eine Größe gemäß Intel LGA 115x. Der Lüfter 9 sowie der Kühlkörper 8 können auch andere Formfaktoren haben.
Mittels des Lüfters 9 wird aus dem Innenraum 4 Luft angesaugt, direkt in den Kühlkörper 8 eingeblasen und von diesem mittels einer Luftführung 10 und einem Lufteinlass 11 des Wärmetauschers 3 dem Wärmetauscher 3 zugeführt. Nach Durchströmen des Wärmetauschers 3 strömt die Luft über zwei Luftauslässe 12 des Wärmetauschers 3 zurück in den Innenraum 4 des Computersystems 1. Anstelle von zwei Luftauslässen 12 können auch nur ein oder mehr als zwei Auslässe vorgesehen sein.
Durch diesen Kühlsystemaufbau wird erreicht, dass die Luft zunächst gezielt durch den Kühlkörper 8 geführt wird, um Wärme der typischerweise am meisten wärmeerzeugenden Komponente 7, also des Prozessors, aufzunehmen. Mittels des Kühlkörpers 8 kann die Wärme des Prozessors effektiv aufgenommen werden. Durch das direkte Zuführen dieser erwärmten Luft dem Wärmetauscher 3, kann die Wärme der durchströmenden Luft gezielt über eine Wärmetauscheroberseite 13 des Wärmetauschers 3 an die Umgebung abgegeben werden, ehe die Luft über die Luftauslässe 2 diffus und optional großflächig in den Innenraum 4 des Computergehäuses 2 eingeblasen wird. Durch dieses diffuse und großflächige Einblasen in den Innenraum 4 kann die abgekühlte Luft weitestgehend die im Betrieb erzeugte Abwärme sämtlicher Komponenten im Inneren des Computersystems 1 aufnehmen, ehe die Luft wieder von dem Lüfter 9 angesaugt wird. Dadurch werden wie eingangs erwähnt Kondenswasserbildungen in Ecken und sogenannte Hot Spots vermieden.
Das Einblasen in den Innenraum 4 aus den Luftauslässen 12 kann optional durch zusätzlich Luftführungen, etwa Leitbleche oder dergleichen, gesteuert werden. Dadurch kann gezielt die ausgeblasene, abgekühlte Luft zu ein oder mehreren Komponenten im Inneren gezielt geführt werden, wenn diese beispielsweise besonders gekühlt werden sollen.
Weitere Details des Computersystems 1 werden anhand der weiteren Figuren beschrieben.
4 zeigt perspektivisch die Baugruppe bestehend aus dem Lüfter 9 und dem Kühlkörper 8. 5 zeigt eine Explosionsdarstellung dieser Baugruppe. Der Kühlkörper 8 ist im Ausführungsbeispiel durch eine Grundplatte 14 gebildet, die in thermischem Kontakt mit dem Prozessor 7 im montierten Zustand steht. Die Grundplatte 14 weist folglich eine den Prozessor zugewandte Kontaktoberfläche 15 auf. Auf der Grundplatte 14 sind dünne Kühlkanalwände angeordnet, die einen Kühlkanal 16 begrenzen, der mittels eines Deckels 17 abgeschlossen ist. Die Grundplatte 14 und die Kühlkanalwände bilden im Ausführungsbeispiel einen Grundkörper, auf den der Deckel montiert ist. Der Kühlkörper 8 hat einen Kühlkanaleinlass 18 und einen Kühlkanalauslass 19. Der Kühlkörper 8 ist aus einem Aluminiumwerkstoff hergestellt. Der Kühlkanalauslass 19 ist mit der Luftführung 10, im Ausführungsbeispiel ein Luftleitrohr, verbunden.
Der Kühlkörper 8 kann auch anders aufgebaut oder hergestellt sein. Insbesondere kann der Deckel 17 auf verschiedene Art und Weise mit dem Grundkörper montiert sein. Weiterhin kann der Kühlkörper 8 weitere separate Einzelteile aufweisen. Alternativ ist der Kühlkörper 8 einstückig gefertigt. Der Kühlkörper 8 kann alternativ auch massiv ausgebildet sein.
Wie in 6 in einer Querschnittsansicht durch den Kühlkörper 8 gezeigt, hat der Kühlkörper 8 den Kanaleinlass 18 und einen Kanalauslass 19. Der Querschnitt verläuft parallel zur Basisplatte 14. Der Kühlkanal 16 ist so ausgebildet, dass sich ein Strömungsquerschnitt zwischen dem Kanaleinlass 18 und dem Kanalauslass 19 zumindest teilweise Richtung Kanalauslass 19 hin verringert. Im Ausführungsbeispiel der 6 ist exemplarisch ein erster Strömungsquerschnitt A1 dargestellt, der im Vergleich zu einem im Bereich des Kühlkanalauslasses 18 vorliegenden Strömungsquerschnitt A2 vergrößert ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Kühlkanal 16 spiralförmig ausgebildet, etwa zumindest teilweise entsprechend einer logarithmischen Spirale basierend auf Fibonacchi-Figuren. Jedoch verringert sich der Strömungsquerschnitt nicht nur in einer, sondern in zwei Dimensionen, etwa entsprechend einer Loxodrome. Somit verringert sich der Strömungsquerschnitt nicht nur hinsichtlich einer Breite, wie in 6 gezeigt, sondern auch bezüglich einer Kühlkanalhöhe. Exemplarisch ist eine erste Kühlkanalhöhe H1 im Bereich des Kanaleinlasses 18 und eine zweite Kühlkanalhöhe H2 im Bereich des Kühlkanalauslasses 19 in 5 dargestellt.
Diese Ausgestaltung des Kühlkanals 16 hat den Effekt, dass in dem Kühlkanal 16 eingeblasene Luft des Lüfters 9 aufgrund des gleichbleibenden Volumenstroms beschleunigt wird. Durch das Beschleunigen erhöht sich ein Strömungsdruck auf die Innenwände des Kühlkanals 16, sodass der Wärmeübergang von dem Kühlkörper 8 auf die Luft verbessert ist.
Damit die Luft gezielt in den Kühlkanal 16 eingeblasen wird, ist der Lüfter 9 direkt an den Kühlkörper 8 angeflanscht. Hierzu können wie in 5 beispielhaft dargestellt ein Halteadapter 20 sowie ein Montagerahmen 21 verwendet werden, dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Insbesondere sind der Lüfter und der Kühlkörper 8 so aufeinander abgestimmt, dass eine Lüfteraustrittsöffnung 22 des Lüfters 9 den Dimensionen des Kühlkanaleinlasses 18 angepasst ist.
Die Baugruppe kann vormontiert werden, sodass Lüfter und Kühlkörper zusammen auf dem Prozessor beziehungsweise die Hauptplatine 5 montiert werden können. In anderen Worten handelt es sich um einen Kühlkörper 8 mit integriertem Lüfter 9 und integriertem spiralförmigen Kühlkanal 16. Der Kühlkanalauslass 19 ist an die Luftführung 10 angepasst.
Wie weiterhin zu erkennen, strömt die Luft des Lüfters 9 im Wesentlichen parallel zur Hauptplatine 5 in den Kühlkanal 16 ein, während die Luft in einer um 90° nach oben gerichteten Richtung über den Kühlkanalauslass 18 den Kühlkörper 8 verlässt. Dadurch strömt die erwärmte und beschleunigte Luft entgegen der Schwerkraftrichtung nach oben in Richtung des Wärmetauschers 3, was thermodynamisch vorteilhaft ist.
Der Kühlkanal 16 verläuft stetig, wobei insbesondere keine Strömungshindernisse, eckige Umlenkungen oder dergleichen vorgesehen sind. Weiterhin können optional eine oder mehrere Kühlrippen 23 innerhalb des Kanals 16 angeordnet sein, die zu einem verbesserten Wärmeübergang der Wärme von dem Prozessor 7 über den Kühlkörper 8 auf die Kühlluft im Betrieb sorgen.
7 bis 9 zeigen drei Querschnittsansichten gemäß den in 2 angedeuteten Schnittebenen S1 bis S3 des Computersystems 1, wobei diesmal das Computergehäuse 2 vollständig gezeigt ist.
In 7 ist zu erkennen, dass der Wärmetauscher 3 an der Wärmetauscheroberseite 13 zinnenartig ausgebildet ist, sodass eine Oberfläche zum Wärmeaustausch vergrößert ist. Weiterhin ist zu erkennen, dass der Wärmetauscher 3 zwei Kammern 24 und 25 aufweist. In die erste, obere Kammer 24 wird die Luft eingeblasen, die anschließend über die in 7 erkennbare Luftauslässe 12 zurück in den Innenraum strömt. Die zweite, untere Kammer 25 stellt eine Wärmeisolierung 26 dar, wobei es sich um eine abgeschlossene Kammer handelt, die mit Luft gefüllt ist. Die Wärmeisolierung 26 ist dem Innenraum 4 zugewandt und verhindert oder reduziert, dass Wärme der Luft, die sich in der ersten Kammer 24 des Wärmetauschers 3 befindet, in den Innenraum 4 zurück abgegeben wird.
In 8 ist ein prinzipieller Strömungsverlauf mit Doppelpfeilen angedeutet.
Das Computersystem 1 ermöglicht die eingangs genannten Vorteile und Funktionen. Insbesondere ist es so möglich, das gesamte Computersystem 1 effektiv zu kühlen.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die konkreten konstruktiven Ausgestaltungen der beschriebenen Elemente variieren können. Weiterhin ist es nicht zwingend notwendig, beispielsweise ein Netzteil 6 vorzusehen. Auch können die Anschlüsse und/oder Elemente der Hauptplatine 5 anders sein. Entscheidend ist, dass das Computersystem 1 abgedichtet ist und im Inneren eine nach dem beschriebenen Prinzip aktive und abgeschlossene Luftkühlung vorgesehen ist, die im Wesentlichen keinen Luftaustausch mit einer Umgebung des Computersystems 1 vorsieht. Ein weiterer Aspekt des Computersystems 1 ist die Ausgestaltung des Kühlkörpers 8 mit daran angeflanschtem Lüfter. Dabei ist entscheidend, dass sich der Kühlkanal 16 hinsichtlich eines Strömungsquerschnittes stetig verringert, sodass eine Kühlgeschwindigkeit innerhalb des Kühlkörpers aufgrund der geometrischen Bedingungen erhöht wird.
Bezugszeichenliste

1: Computersystem
2: Computergehäuse
3: Wärmetauscher
4: Innenraum
5: Hauptplatine
6: Netzteil
7: Prozessor
8: Kühlkörper
9: Lüfter
10: Luftführung
11: Lufteinlass
12: Luftauslass
13: Wärmetauscheroberseite
14: Basisplatte
15: Kontaktfläche
16: Kühlkanal
17: Deckel
18: Kühlkanaleinlass
19: Kühlkanalauslass
20: Halteadapter
21: Montagerahmen
22: Lüfteraustrittsöffnung
23: Kühlrippe
24: erste Kammer
25: zweite Kammer
26: Wärmeisolierung
A1: erster Strömungsquerschnitt
A2: zweiter Strömungsquerschnitt
H1: erste Kühlkanalhöhe
H2: zweite Kühlkanalhöhe
S1 bis S3: Schnittebenen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Normen IEC 60529 [0010]
DIN EN 60529 [0010]

Claims

Computersystem (1), aufweisend – ein zumindest partikeldichtes Computergehäuse (2), in welchem ein Innenraum (4) ausgebildet ist; – eine in dem Innenraum (4) angeordnete wärmeerzeugende Komponente; – einen im Innenraum (4) angeordneten Kühlkörper (8) mit einem Kühlkanal (16), wobei der Kühlkörper (8) thermisch mit der wärmeerzeugenden Komponente verbunden ist; – einen mit Luft durchströmbaren Wärmetauscher (3) zum Wärmeenergieaustausch mit einer Umgebung des Computersystems (1); – einen im Innenraum (4) angeordneten Lüfter (9); wobei – der Wärmetauscher (3) fluidisch mit dem Kühlkanal (16) gekoppelt ist, so dass Luft von dem Kühlkanal (16) über den Wärmetauscher (3) in den Innenraum (4) des Computergehäuses (2) strömen kann; und – der Lüfter (9) eingerichtet ist, Luft aus dem Innenraum (4) des Computergehäuses (2) anzusagen und in den Kühlkanal (16) des Kühlkörpers (8) einzublasen.
Computersystem (1) nach Anspruch 1, wobei ein Lufteinlass (11) des Wärmetauschers (3), welcher mit dem Kühlkanal (16) fluidisch gekoppelt ist, und ein Luftauslass (12) des Wärmetauschers im Innenraum (4) des Computergehäuses (2) angeordnet sind.
Computersystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wärmetauscher (3) eine Wärmetauscheroberseite (13) aufweist, die eine Außenseite des Computergehäuses (2) bildet.
Computersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher (3) als Diffusor ausgebildet ist.
Computersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher (3) auf einer Seite, die dem Innenraum (4) zugewandt ist, eine Wärmeisolierung (26) aufweist.
Computersystem (1) nach Anspruch 5, wobei die Wärmeisolierung (26) durch eine abgeschlossene, mit Luft gefüllte Kammer (25) gebildet ist.
Computersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (8) einen Kanaleinlass (18) und einen Kanalauslass (19) aufweist und so ausgebildet ist, dass der Kanalauslass (19) in Richtung des Wärmetauschers (3) weist, insbesondere entgegen einer Schwerkraftrichtung in einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Computersystems (1).
Computersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkanal (16) einen Kanaleinlass (18) und einen Kanalauslass (19) aufweist und so ausgebildet ist, dass sich ein Strömungsquerschnitt zumindest teilweise vom Kanaleinlass (18) zu dem Kanalauslass (19) hin verringert.
Computersystem (1) nach Anspruch 8, wobei sich der Strömungsquerschnitt bezüglich einer Dimension, etwa einer Kühlkanalbreite, verringert.
Computersystem (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Kühlkörper (8) so ausgebildet ist, dass der Kühlkanal (16) zumindest teilweise einen Verlauf gemäß einer logarithmischen Spirale aufweist.
Computersystem (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei sich der Strömungsquerschnitt bezüglich zweier Dimensionen, etwa bezüglich einer Kühlkanalbreite und einer Kühlkanalhöhe, verringert.
Computersystem (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Kühlkörper (8) so ausgebildet ist, dass der Kühlkanal (16) zumindest teilweise einen Verlauf gemäß einer Loxodrome aufweist.
Computersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkanal (16) einen stetigen Verlauf aufweist.
Computersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Kühlkanal (16) ein oder mehrere Kühlrippen (22) angeordnet sind, die sich in Strömungsrichtung der Luft durch den Kühlkanal (16) erstrecken.
Computersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (8) zur Begrenzung des Kühlkanals (16) dünnwandig ausgebildet ist.
Computersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lüfter (9) integraler Bestandteil des Kühlkörpers ist.
Computersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Computersystem (1) ein Internet-of-Things Gerät ist.