DE69903749T2

DE69903749T2 - Parallel-kühlung für hochleistungsvorrichtungen in einer serien-gekühlten umgebung

Info

Publication number: DE69903749T2
Application number: DE69903749T
Authority: DE
Inventors: M. Smith
Original assignee: Ebner and Co KG Anlagen und Apparate
Current assignee: Ebner and Co KG Anlagen und Apparate
Priority date: 1998-11-24
Filing date: 1999-11-23
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2019-11-24
Also published as: JP2002530901A; EP1133906A1; DE69903749D1; US6198628B1; WO2000032023A1; EP1133906B1; BR9915601A

Description

ERFINDUNGSGEBIET

Diese Erfindung betrifft ein System zum Kühlen von elektronischem Gerät. Vor allem betrifft sie das parallele Kühlen von Hochleistungsvorrichtungen in einer seriell gekühlten Umgebung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es gibt einen ständig wachsenden Bedarf nach elektronischen Vorrichtungen und Systemen, die eine verbesserte Zuverlässigkeit haben. Eine mögliche Fehlerquelle für ein elektronisches System ist sein Kühlsystem. Die elektronischen Komponenten solcher Systeme erzeugen für gewöhnlich eine beträchtliche Wärmemenge in einem geschlossenen oder halb-geschlossenen Raum. Es ist häufig erforderlich, ein Kühlsystem bereitzustellen, um Temperaturgradiente zu verhindern, die die Funktion solcher Komponenten beeinflussen könnten.
Ein Verfahren zum Kühlen ist die Verwendung eines Lüfters wie beispielsweise eines Ventilators oder Gebläserads, um durch die elektronischen Komponenten einen Luftstrom zu errichten. Ein solcher Luftstrom erleichtert die Dissipation der erzeugten Hitze durch die Konvektionswärmeübertragung. In einigen Kühlsystemen werden mehrere Lüfter in einer Batterieanordnung angebracht, worin jeder Lüfter einen Teil der Luft bewegt, die verwendet wird, um das elektronische System zu kühlen, und die Lüfter stellen in Kombination die Kühlfähigkeit bereit, die nötig ist, um das elektronische System zu kühlen.
Einer oder mehrere Lüfter werden manchmal angebracht, um Luft an einem Luftstromweg entlang zu bewegen, damit die elektronischen Komponenten gekühlt werden, die an diesem Weg in Reihe ausgerichtet sind. Das bedeutet nicht, dass die elektronischen Komponenten seriell geschaltet sind oder im geometrischen Sinn direkt am. Luftstromweg entlang angeordnet werden; stattdessen betrifft eine solche serielle Anordnung die allgemeine Luftbewegung durch die elektronischen Komponenten auf eine solche Art und Weise, dass Teile desselben Luftstroms die erforderliche Wärmeübertragung von im Wesentlichen allen der elektronischen Komponenten zuwege bringen.
In solchen seriell gekühlten Umgebungen gibt es oftmals einen Wärmestau, wenn sich die Luft durch die elektronischen Komponenten bewegt. Mit anderen Worten steigt der Temperaturgradient am Luftstromweg, so dass die Temperatur der Abzugsluft wesentlich höher sein kann als die der Einlassluft.
In jüngster Zeit gibt es auf dem Servermarkt der oberen Preisklasse einen Trend, Standard-PC-Komponenten zu verwenden, um größere Serversysteme zusammenzusetzen. Die mit der Entwicklung der kundenspezifischen Komponenten verknüpften Kosten werden, wenn mit der steigenden Leistung der PCs verglichen, zunehmend unerschwinglich. Überdies hält das große Volumen der PCs die Kosten dieser Komponenten so gering wie möglich.
Da die Frequenz der in solchen Serversystemen verwendeten Prozessoren anhaltend steigt, fährt der Leistungspegel dieser Komponenten damit fort zu steigen. Da auch die Geschwindigkeit der Komponenten steigt, wird die Minimierung des Abstands zwischen den Komponenten in einem stärkeren Maß kritischer. Der erhöhte Leistungspegel und der reduzierte Abstand zwischen den Komponenten sind Faktoren, die zusammengenommen die wirkungsvolle Kühlung solcher Komponenten erschweren. Obwohl in Zusammenhang mit einzelnen Prozessormaschinen wie beispielsweise PCs sogar Hochleistungsprozessoren mit der Verwendung aktiver Lüfter-Senken an den Prozessoren relativ leicht gekühlt werden können, verbieten die Zuverlässigkeit und die Funktionstüchtigkeit solcher aktiven Komponenten ihre Verwendung in einem Server der oberen Preisklasse. In großen Servern ist es z. B. ziemlich herausfordernd, Komponenten wie die für PCs entwickelten in großen Systemen unterzubringen. Da die Geometrie solcher Komponenten mit Rücksicht auf PCs entwickelt wurde, können sie für das Unterbringen in großen, dicht gepackten Servern der oberen Preisklasse nicht von Nutzen sein.
Für gewöhnlich schließen Server der oberen Preisklasse Leiterplatten ein, die in Kartengestellen von parallelen Batterien von Karten angeordnet werden. Solche Karten können relativ leicht gekühlt werden, indem durch die Batterien von Karten Luft geblasen oder eingesogen wird. Seriell gekühlte Systemcomputer- Gehäuse-Ebene-Kühler können ein kostengünstiges Mittel bereitstellen, um ein gesamtes Gehäuse zu kühlen. Auch erleichtern solche Systemcomputer-Gehäuse-Kühlschemen die Bereitstellung einer redundanten Kühlung für das System. Darüber hinaus erleichtern solche Kühlschemen die Bereitstellung der heißen Wartung des Kühlsystems.
Jedoch weist bei der Verwendung der PC-Komponenten die Geometrie der verschiedenen Aufbauten verschiedene Ausrichtungen auf, was die herkömmlichen seriellen Kühlverfahren erschwert oder unmöglich macht. Diese Server der oberen Preisklasse verwenden auch mehrere Prozessoren, um die Leistung zu erhöhen, und solche Prozessoren müssen sehr eng zusammen, dicht am Cache und an den Busschnittstellenvorrichtungen und am Hauptsystemspeicher gehalten werden, was in dicht untergebrachten Bereichen eine hohe Leistungsdichte erzeugen können.
Verschiedene Kühlschemen wurden über die Jahre hinweg vorgeschlagen. Z. B. beschreibt das US-Patent Nr. 4.528.614, Shariff et al., in einem Gehäuse untergebrachte Schalteinrichtungseinheiten, die ein integrales Lüftungsrohrleitungssystem mit einem modularen Schnapppasssaufbaus haben, das an der Unterseite des Gehäuses eine Luftansaugöffnung, oben am Gehäuse eine Luftablassöffnung, und Zweigrohrleitungen hat, die mit Tandemfächern in Verbindung stehen, die sich in einem gestapelten Verhältnis befinden. Die Lüftungsrohrleitungsaufbauten haben eine sich senkrecht erstreckende Rohrleitung und eine Reihe an schräg verlaufenden Zweigrohrleitungen.
Im US-Patent Nr. 4.774.631 beschreiben Okuyama et al. einen Kühlungsaufbau, der über Facheinheiten verfügt, worin eine Lüftereinheit an jedem Fach angeordnet ist, um einen eigenen Kühlblock zu bilden. Die Lüftereinheit eines jeden Kühlblocks erzeugt einen kühlenden Wind, der von unten nach oben linear durch die Facheinheit geführt wird, und führt auch durch Gasabzüge, die in den Seitenabschnitten einer jeden Lüftereinheit ausgebildet sind, Umgebungsluft ein. Die Fließgeschwindigkeit des kühlenden Winds wird graduell erhöht, wenn der kühlende Wind zu den oberen Kühlblöcken vorrückt.
Im US-Patent Nr. 5.361.188 beschreiben Kondou et al. ein Kühlgerät, das eine Kammzahn-förmige Rohrleitung hat, um an Substraten Strömungswege zu bestimmen, damit an jede integrierte Schaltvorrichtung Kühlluft eingeführt wird. Die Rohrleitung schließt kleine Löcher an Stellen ein, die den integrierten Schaltvorrichtungen entsprechen und die über offene Flächen verfügen, die den Erwärmungswerten der integrierten Schaltvorrichtungen entsprechen.
Im US-Patent Nr. 5.297.005 offenbart Gourdine ein Gerät zum Kühlen elektronischer Komponenten, worin die vorbestimmten Wärme-erzeugenden elektronischen Komponenten von anderen elektronischen Komponenten im Gehäuse isoliert und die isolierten Komponenten durch einen sekundären Luftstrom gekühlt werden, der vom primären Luftstrom isoliert wird, und die Wärme, die von den isolierten Komponenten und nicht-isolierten Komponenten erzeugt wird, wird in einer Bemühung zur maximalen Kühlung aller Komponenten im Gehäuse innerhalb des Gehäuses nicht vermischt. Ein sekundärer Luftstromdurchgang wird von der Gehäuseaußenseite durch die isolierten elektronischen Komponenten bereitgestellt, wobei der sekundäre Luftstromdurchgang durch das Gehäuse vom primären Luftstromdurchgang getrennt wird. Ein Sauggebläse zieht durch den sekundären Luftstromdurchgang durch die isolierten Wärmeerzeugungskomponenten Luft ein und saugt den sekundären Luftstrom an die Gehäuseaußenseite aus.
Trotz der verschiedenen Versuche zum Entwickeln verbesserter Kühlsysteme in der Vergangenheit, gibt es ein Erfordernis nach einem verbesserten Kühlsystem zur Verwendung in Verbindung mit elektronischen Systemen wie beispielsweise großen, dicht gepackten Servern der oberen Preisklasse. Entsprechend ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Kühlsystem zur Verfügung zu stellen, das verwendet werden kann, um die Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Wartungsfreundlichkeit solcher elektronischen Systeme zu verbessern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung stellt ein System zum Kühlen elektronischer Komponenten bereit, die innerhalb eines inneren Bereichs eines Gehäuses angebracht sind. Das System ist für das örtlich beschränkte Kühlen ausgewählter elektronischer Komponenten ausgebildet. Das System schließt einen Lüfter wie beispielsweise ein Gebläse, Gebläserad oder einen Ventilator ein, das bzw. der an einem Endabschnitt des Gehäuses in der Nähe einer Aussaugöffnung montiert ist. Der Lüfter wird positioniert, um im Gehäuse einen Niederdruckbereich zu erzeugen.
Eine Einlassöffnung wird im Gehäuse in Richtung eines gegenüberliegenden Endabschnitts des Gehäuses bereitgestellt, durch die Luft in das Innere des Gehäuses eingesogen wird. Der Lüfter erzeugt einen seriellen Luftstromweg, der sich von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung erstreckt, um die im Gehäuse angebrachten elektronischen Komponenten zu kühlen. Im Gehäuse wird auch eine sekundäre Öffnung bereitgestellt, durch die zusätzliche Luft in das Innere des Gehäuses gesogen wird. Der Lüfter erzeugt einen parallelen Luftstromweg, der sich aus der sekundären Luftöffnung erstreckt und sich mit dem seriellen Luftstromweg vereinigt, um die ausgewählten elektronischen Komponenten zu kühlen, die am parallelen Luftstromweg oder daran angrenzend montiert sind.
Die Auslassöffnung des Systems gemäß dieser Erfindung wird vorzugsweise in einem oberen Abschnitt des Gehäuses bestimmt, und die Einlassöffnung wird vorzugsweise in einem unteren Abschnitt bestimmt. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Einlassöffnung und die sekundäre Öffnung so bemessen, um das Verhältnis der Luft zu regeln, die am parallelen Luftstromweg und am seriellen Luftstromweg entlang strömt.
Das System kann auch eine Vielzahl von sekundären Öffnungen einschließen, so dass der Lüfter mehrere parallele Luftstromwege erzeugt, von denen sich einer aus jeder der sekundären Öffnungen erstreckt und in den seriellen Luftstromweg einmündet. In einem System, das mehrere sekundäre Öffnungen verwendet, sind derartige sekundäre Öffnungen vorzugsweise dimensioniert, um das Verhältnis der Luft zu regeln, die am seriellen Luftstromweg und an jedem der parallelen Luftstromwege entlang strömt. In einem System, das mehrere sekundäre Öffnungen verwendet, wird auch jede der ausgewählten elektronischen Komponenten vorzugsweise an einem der parallelen Luftstromwege entlang angebracht.
Der Lüfter des Systems gemäß dieser Erfindung kann ein Teil eines Kühlungsmoduls sein, der in Bezug auf das Gehäuse abnehmbar und austauschbar ist. Ein solches Kühlungsmodul kann mehrere Lüfter einschließen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Vorderansicht eines elektronischen Aufbaus, der ein Kühlsystem gemäß dieser Erfindung einschließt.
Fig. 2 ist eine schematische Seitenansicht des in der Fig. 1 dargestellten elektronischen Aufbaus.
Fig. 3 ist eine schematische Rückansicht des in der Fig. 1 dargestellten elektronischen Aufbaus.
Fig. 4 ist eine schematische Vorderansicht eines anderen elektronischen Aufbaus, der ein Kühlsystem dieser Erfindung beinhaltet.
Fig. 5 ist eine schematische Seitenansicht des in der Fig. 4 dargestellten elektronischen Aufbaus.
Fig. 6 ist eine schematische Rückansicht des in der Fig. 4 dargestellten elektronischen Aufbaus.
Fig. 7 ist eine Querschnitts-Seitenansicht des elektronischen Aufbaus, wie in der Fig. 5 gezeigt; jedoch schließt sie Pfeile ein, die die Luftströmung durch den elektronischen Aufbau anzeigen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung wird jetzt mit Bezug auf die besonderen Ausführungsformen beschrieben, die zur Veranschaulichung in den Zeichnungen ausgewählt werden. Es sollte verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf die zur Veranschaulichung ausgewählten besonderen Ausführungsformen eingeschränkt ist. Sie wird stattdessen unabhängig in den anliegenden Ansprüchen definiert. Auch stehen die Zeichnungen in keinem besonderen Verhältnis oder Maßstab.
Allgemein gesprochen, erlaubt diese Erfindung die Verwendung eines redundanten, heiß ausstauschbaren Systempegel-Kühlungsschemas, um sowohl das Kühlen der Hochleistungskomponenten als auch eine ungewöhnliche Geometrie zu erlauben. In einer Form benutzt diese Erfindung ein Systemebenen-Luftentleerungs-Kühlschema. Es kann in einem Industriestandard-Gestellbefestigung- Gehäuse eingeschlossen sein. Ein heiß austauschbares Kühlsystem kann auch in Verbindung mit dem Gehäuse, vielleicht oben am Gehäuse, untergebracht sein. In einer solchen Anordnung stellt das System eine seriell gekühlte Standardumgebung für das ganze Computersystem bereit.
Es wurde jedoch in Erfahrung gebracht, dass im Prozessorbereich die Kombination von Hochleistungskomponenten und die enge Unterbringung solcher Komponenten die Leistungsgrenze eines seriellen Standard-Kühlschemas übersteigen kann. Wenn die Luft diese Hochleistungsvorrichtungen kreuzt, wird die Lufttemperatur bedeutend erhöht, und diese erhöhte Temperatur wird dann an die nächste Hochleistungsvorrichtung im Stapel weitergeleitet. Mit dieser Anordnung könnten große Mengen der Kühlluft benötigt werden, um den Temperaturansteig genügend zu reduzieren, damit alle Vorrichtungen im Stapel gekühlt werden. Die Bereitstellung solcher zusätzlicher Kühlluftmengen würde jedoch eine(n) ungewollte(n) Lärm, Größe und Kosten erzeugen.
Es wurde gemäß dieser Erfindung in Erfahrung gebracht, dass die Hochleistungsvorrichtungen vorteilhaft gekühlt werden, indem für jede der Hochleistungsvorrichtungen eine zusätzlicher Einlasslüftung bereitgestellt wird. Die Hochleistungsvorrichtungen, die eine zusätzliche Kühlung benötigen, können auf der Grundlage ihrer Leistungsabgabe-Merkmale ausgewählt werden, die von ihren Herstellern häufig in WATT bereitgestellt werden. Das Hauptgehäuse-Kühlsystem erzeugt innerhalb des Gehäuses einen Niederdruckbereich. Dieser Niederdruck bewirkt, dass Luft durch irgendeine Gehäuseöffnung in das System gesogen wird. Entsprechend stellt jedes zusätzliche Luftloch einen parallelen Weg für Kühlluft an die Komponente entlang bereit. Dieser parallele Luftstrom wird dann mit dem seriellen Hauptgehäuse-Aufwärts- Luftstrom durch die übrigen Teile des Systems vereint. Durch die Dimensionierung der Lüftungsfläche wurde in Erfahrung gebracht, dass jede kritische Komponente hergestellt werden kann, um die richtige Luftmenge an der kühlsten erhältlichen Temperatur zu empfangen.
Es wurde weiterhin in Erfahrung gebracht, dass das Kühlsystem gemäß dieser Erfindung verwendet werden kann, um ungewöhnlich geformte oder eingesetzte Komponenten zu kühlen. Zum Beispiel werden Standard PC PCI-basierte Eingabe/Ausgabekarten häufig aufgebaut, um an der Rückseite eines PC-Chassis installiert zu werden. Entsprechend werden sie normalerweise in eine Hauptplatine an der Rückseite eines PC-Chassis gesteckt. Es sind in einer solchen Anordnung kurze Schaltungen zum Systembus und sie haben externe Verbindungen außerhalb des Chassis nach hinten. Diese Anordnung funktioniert jedoch nicht in einem großen, seriell gekühlten System. Wie verständlich sein wird, wird, wenn die Karten in der normalen Anordnung untergebracht werden, wo sich die Karten parallel zum Luftstrom befinden, dann die Hauptplatine senkrecht zum Hauptkühlungsstrom positioniert sein, was den Strömungsweg blockieren würde. Wenn man sie stattdessen um 90º drehen würde, würde dies die PCI-Karten senkrecht zum Luftstromweg setzen, was auch den Hauptsystem-Luftstromweg sperren würde.
Das System gemäß dieser Erfindung stellt eine Lösung für dieses Problem bereit. Genauer erläutert, wird die Außenfläche des Steckverbinderbereichs gelüftet, um einen Luftstromweg in das System bereitzustellen, der sich in einem Winkel (vielleicht senkrecht) zum Hauptsystem-Luftstromweg befindet. Dieser parallele Luftstrom geht dann senkrecht zur Hauptluftströmung durch die Eingabe/Ausgabekarten hindurch und dann in den Hauptgehäuse- Luftstromweg, wo er dabei hilft, die Symmetrie des Systems auf serielle Weise zu kühlen.
Es wurde weiterhin in Erfahrung gebracht, dass dieses System günstigerweise in der Oberseite eines elektronischen Gehäuses enthalten ist, die meistens Bänke an parallelen Karten aufnimmt, die wiederum integrierte Schaltungen enthalten. Der primäre Luftstromweg kommt durch einen in der Unterseite des Gehäuse befindlichen Filter in das Gehäuse. Die Luft strömt durch das Gerät, wo sie die Systemhitze absorbiert. Sie wird dann durch die Oberseite des Gehäuses ausgesaugt. Das System enthält auch mehrere Luftlöcher zur Umgebungsluft, wie später detailliert beschrieben werden wird. Diese Luftlöcher haben eine spezielle Größe, um die in das Gehäuse eingesogene Luftmenge zu regulieren.
Kehrt man jetzt zu den für die Veranschaulichung in den Zeichnungen ausgewählten spezifischen Ausführungsformen zurück, wird ein elektronischer Aufbau wie beispielsweise ein Server in den Fig. 1-3 allgemein mit der Ziffer "10" bezeichnet. Nimmt man allgemein auf die Fig. 1-3 Bezug, schließt der elektronische Aufbau 10 ein Gehäuse 12 ein, das modular aufgebaut sein kann. Mit anderen Worten können verschiedene Abschnitte des elektronischen Aufbaus 10 durch verschiedene Hersteller in getrennten Modulen für den Aufbau und die spätere Installation bereitgestellt werden. Im Gehäuse 12 ist eine Reihe an elektronischen Komponenten oder Unteraufbauten angebracht, die während des Gebrauchs Hitze erzeugen und Kühlluft benötigen, um eine richtige Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Wie am besten in der Fig. 2 gezeigt, schließt der elektronische Aufbau 10 einen "heißen Teil" 14 und einen "heißen Teil" 16 ein. Solche heißen Teile können Komponenten oder Aufbauten von Komponenten sein, wie Prozessoren oder der Hauptsystemspeicher oder andere Hochleistungsvorrichtungen. Solche heißen Teile 14, 16 erzeugen eine beträchtliche Hitze, die abgeleitet werden muss, um die Komponenten in einem gewünschten Temperaturbereich zu halten. Im Gehäuse 12 ist auch eine Reihe an PCI-Modulen angebracht, die Schnittstellenkarten einschließen, die in dieser Ausführungsform in einer Ebene angebracht sind, die parallel zu einer Basis des Gehäuses 12 liegt.
Ein Leistungsmodul 20 ist auch im Gehäuse 12 angebracht. Über dem Leistungsmodul 20 befindet sich eine Reihe von Laufwerken, die ein Diskettenlaufwerk 22, ein CD-Rom-Laufwerk 24 und ein Bandlaufwerk 26 einschließen.
Wie in den Fig. 1-3 gezeigt, wird an der unteren Oberfläche des Gehäuses 12 ein Einlass 28 bereitgestellt. Ein Luftfilter 34 wird am Einlass 28 bereitgestellt, um Staub und andere ungewollten Teilchen aus der Luft zu entfernen, wenn sie in das Gehäuse 12 dringt. An einem entgegengesetzten Endabschnitt des Gehäuses 12 befinden sich eine Auslassöffnung 30 und ein Lüfter 32, der angrenzend oder proximal an der Auslassöffnung 30 befindlich ist. Der Lüfter 32 kann ein Gebläserad, ein Gebläse oder ein Ventilator sowie irgendeine andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist, einen Luftstrom zu erzeugen.
Wie durch die Pfeile in den Fig. 1-3 angezeigt, erzeugt der Lüfter 32 einen seriellen Lufstromweg nach oben durch das Gehäuse 12, das sich zwischen der Einlassöffnung 28 und der Auslassöffnung 30 erstreckt. Dies ist der Hauptluftstromweg durch das Gehäuse 12 und sorgt für die allgemeine Kühlung der elektronischen Komponenten, die im Gehäuse 12 angebracht sind. Wie an der linken Seite der Fig. 2 angezeigt, wird angrenzend an den heißen Teilen 14 und 16 ein Paar von sekundären Einlassöffnungen 36 bereitgestellt, um einen Einlass für die Kühlluft bereitzustellen und für das örtlich beschränkte Kühlen der heißen Teile 14 und 16 zu sorgen. Filter können im besten Fall an den sekundären Einlässen 36 bereitgestellt sein.
Der Lüfter 32 erzeugt einen Luftstrom nach innen, indem im Gehäuse 12 ein Niederdruckbereich erzeugt wird, um parallele Luftstromwege zu erzeugen, die sich aus jeder sekundären Öffnung 36 erstrecken und sich mit seriellen Luftstromweg vereinen, der sich nach oben durch das Gehäuse 12 erstreckt. Heiße Teile 14 und 16 werden an den parallelen Luftstromwegen positioniert, um sich des Vorteils ihrer Kühlwirkung zu erfreuen. Die Luftströmung an den parallelen Luftstromwegen entlang fügt sich nach oben mit der Luft zusammen, die am seriellen Stromweg entlang fließt, um für anderen stromabwärts befindliche Komponenten im Gehäuse 12 eine zusätzliche Kühlwirkung bereitzustellen.
Im Gehäuse 12 befindet sich auch ein "Luftausdehner" 38, der sich in dieser Ausführungsform über den heißen Teilen 14, 16, aber unter dem Leistungsmodul 20 befindet. Der Luftausdehner 38 stellt eine Zwischen-Ansaugluftkammer bereit, die es erlaubt, dass die Luft zu diesem Zeitpunkt in der Kammer oder im Gehäuse 12 ausgeglichen wird. Mit anderen Worten hilft der Luftausdehner 38 dabei, einen im Wesentlichen konstanten Druckbereich zu errichten.
Es wird hinsichtlich der Fig. 1-3 verständlich sein, dass der einzige Lüfter 32 in der Lage ist, Kühlluft auf eine solche Art und Weise in das Gehäuse 12 zu ziehen, dass sowohl eine allgemeine Kühlung der elektronischen Komponenten (an einem seriellen Luftstromweg entlang) als auch eine örtlich beschränkte Kühlung der heißen Teile bereitgestellt wird, die an den parallelen Luftstromwegen befindlich sind. Die parallelen Luftstromwege in dieser Ausführungsform stehen im Wesentlichen senkrecht zum seriellen Luftstromweg, zumindest in der Nähe ihrer jeweiligen sekundären Einlässe 36.
Nimmt man jetzt auf die Fig. 4-6 Bezug, wird eine weitere Ausführungsform eines elektronischen Aufbaus, der ein Kühlsystem gemäß dieser Erfindung einschließt, die allgemein mit der Ziffer "100" bezeichnet wird. Der elektronische Aufbau 100 wie beispielsweise ein Server ähnelt dem elektronischen Aufbau 10, wenn man davon absieht, dass er für die Verwendung eines Kühlmoduls, der zur Anbringung an einem Gehäuse wie dem Gehäuse 112 getrennt hergestellt werden kann, besser geeignet ist. Im Gehäuse 112 ist eine Reihe von "heißen Teilen" 114, 115, 116, 117 angebracht. Im Gehäuse 112 ist auch eine Reihe von PCI- Modulen 118 angebracht, die jeweils eine Vielzahl von Schnittstellenkarten mit Oberflächen einschließen, die sich im Wesentlichen parallel zur Basis des Gehäuses 112 erstrecken. Über den heißen Teilen 114-117 befinden sich Leistungsmodule 120. Ebenfalls im Gehäuse 112 befinden sich verschiedene Laufwerke einschließlich mehrerer Diskettenlaufwerken 122, einem Bandlaufwerk 126 und einem CD ROM-Laufwerk 124.
An der Unterseite des Gehäuses 112 wird eine Einlassöffnung 128 bereitgestellt. Über dem Einlass 128 (über den PCI-Modulen 118) befindet sich ein Filter 134, der angepasst ist, um kleine Teilchen wie Staub aus der ankommenden Luft zu entfernen. Am gegenüberliegenden oberen Ende des Gehäuses 112 befindet sich eine Auslassöffnung 130 für den Abzug der Kühlluft. Die Auslassöffnung 130 ist Teil eines Kühlmoduls 142, das eine Vielzahl von Gebläserädern 132 (sechs in dieser Ausführungsform) einschließt. Die Gebläseräder 132 sind ausgerichtet, um einen Aufwärts-Luftstrom durch die Auslassöffnung 130 nach außen zu erzeugen. Die Gebläseräder 132 können modular sein, um in Bezug auf das Gehäuse 112 das Entfernen und Austauschen zu erlauben.
A/C-Zutrittsmodule 140 werden ebenfalls im Gehäuse 112 bereitgestellt. Wiederum können solche Module für die modulare Zusammensetzung und Installation getrennt hergestellt sein.
Wie am besten in der Fig. 5 dargestellt, schließt das Gehäuse 112 eine Vielzahl von sekundären Öffnungen 136 ein, die jeweils angrenzend an jedem heißen Teil 114, 115, 116, 117 positioniert sind. Angrenzend an die PCI-Module 118 werden auch begleitende sekundäre Öffnungen 137 bereitgestellt. Eine weitere begleitende sekundäre Öffnung 137 wird am Diskettenlaufwerk 122 bereitgestellt.
Wie aus der Betrachtung der Fig. 4-6 klar verstanden sein wird, erzeugen die Gebläseräder 132 des Kühlmoduls 142 einen seriellen Luftstromweg nach oben, der sich zwischen der Einlassöffnung 128 an der Unterseite des Gehäuses 112 bis zu der Auslassöffnung 130 an der Oberseite des Gehäuses 112 hindurch erstreckt. Dieser serielle Luftstromweg sorgt für die allgemeine Kühlung aller Komponenten, die im Gehäuse 112 angebracht sind.
Die sekundären Öffnungen 136 stellen einen Zugang für die Luft bereit, die in das Innere des Gehäuses 112 gesogen wird, und zwar auch mithilfe von Gebläserädern 132 des Kühlmoduls 142. Die Gebläseräder 132 erzeugen parallele Luftstromwege, die sich aus sekundären Öffnungen 136 nach innen erstrecken und dann mit dem seriellen Luftstromweg vereint werden, um zur Kühlung der stromabwärts befindlichen Komponenten beizutragen, die im Gehäuse 112 angebracht sind.
Zur Verständlichmachung sollte angemerkt werden, dass die Verwendung des Begriffs "parallel" nicht beabsichtigt ist, um anzuzeigen, dass sich die Wege parallel zueinander befinden. Stattdessen wird er nur verwendet, um im weitesten Sinne anzuzeigen, dass sich die parallelen Luftstromwege zumindest teilweise voneinander und von dem seriellen Luftstromweg unterscheiden. In der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform wird es ersichtlich sein, dass die parallelen Luftstromwege, die sich von den sekundären Öffnungen 136 nach innen erstrecken, zumindest am Anfang allgemein senkrecht zum seriellen Luftstromweg befindlich sind, der sich von der Einlassöffnung 128 nach oben zur Auslassöffnung 130 erstreckt. Nichtsdestotrotz werden der serielle und die parallelen Luftstromwege darin als parallel angesehen, dass sie sich zumindest teilweise an unterschiedlichen Achsen entlang erstrecken.
Der begleitende Luftstrom nach innen durch die sekundären Öffnungen 137 in das Gehäuse 112 sorgt für eine zusätzliche Kühlung an den PCI-Modulen 118. Wie in den Fig. 4 und 6 gezeigt, schließen die PCI-Module 118 Schnittstellenkarten ein, die sich im Wesentlichen parallel zur Basis des Gehäuses 112 erstrecken. Entsprechend neigen die Schnittstellenkarten selbst dazu, teilweise den Luftstrom zu blockieren, der am seriellen Luftstromweg bereitgestellt wird, der sich zwischen der Einlassöffnung 128 und der Auslassöffnung 130 erstreckt. Entsprechend stellen die sekundären Öffnungen 137 den Eintritt eines Luftstroms zwischen den Schnittstellenkarten bereit, um für eine Kühlung zu sorgen, worin der Lufstrom an solchen parallelen Luftstromwegen entlang später im seriellen Luftstromweg mündet, um zur Kühlung der anderen Komponenten nach oben durch das Gehäuse 112 zu fließen. Auf eine ähnliche Art und Weise stellt ein Einwärts-Luftstrom durch eine sekundäre Öffnung 137 an der Stelle des Diskettenlaufwerks 122 ebenfalls die Kühlung an einem parallelen Luftstromweg in dieser Stelle des Gehäuses 112 bereit. Solche parallelen Luftstromwege münden später im seriellen Luftstromweg, der in Richtung der Auslassöffnung 130 fließt.
Fig. 7 ist ein vom Computer erzeugtes Diagramm, das die erwarteten Luftstromeigenschaften im Gehäuse 112 der in den Fig. 4-6 dargestellten Ausführungsform abformt. Wie in der Fig. 7 veranschaulicht, gibt es an einem seriellen Luftstromweg, der sich vom Einlass zum Auslass erstreckt, ein allgemeines Strömungsmuster. Fig. 7 veranschaulicht auch, wie die Ausrichtung der verschiedenen Komponenten innerhalb des Gehäuses 112 die Wege des kühlenden Luftstroms beeinflussen können. Man beachte z. B. den reduzierten Luftstrom zwischen den Schnittstellenkarten an den PCI-Modulen 118, worin die senkrechte Komponente des Luftstroms minimal ist und die Kühlluft stattdessen von den sekundären Öffnungen 137 bereitgestellt wird. Eine ähnliche Wirkung ist in Bezug auf die heißen Teile 114, 115, 116, 117 sowie auf die verschiedenen Laufwerke 122, 124, 126 zu sehen.
Wie in der Fig. 7 dargestellt, stellt das Kühlsystem gemäß dieser Erfindung sowohl das Kühlen der Komponenten bereit, die im Inneren des Gehäuses 112 (an einem seriellen Luftstromweg entlang) als auch das örtlich beschränkte Kühlen der Teile bereit, von denen bekannt ist, dass sie mehr Hitze erzeugen (an den parallelen Luftstromwegen entlang). Dies hat sich in elektronischen Systemen wie beispielsweise Servern als relativ vorteilhaft herausgestellt, vor allem dort, wo Standard-PC- Komponenten verwendet werden, um kleinere Bereiche mit Wärmeerzeugenden Komponenten zu besetzen und Komponenten auf eine solche Art und Weise auszurichten, dass sie den Kühlluftstrom sperren können.
Die Größe der verschiedenen Öffnungen kann ausgewählt werden, um die Menge der Luftströmung durch die jeweiligen Öffnungen in das Gehäuse zu regeln. Mit anderen Worten können die verschiedenen Öffnungen so dimensioniert sein, um ein gewünschtes Verhältnis des Luftstroms an den verschiedenen Wegen zu errichten. Größere Öffnungen werden natürlich einen größeren Luftstrom erlauben und kleinere Öffnungen den Luftstrom einschränken.
Spezieller kann die Größe des Luftstroms über seine Geschwindigkeit (Fuß/Minute oder Meter/Sekunde) oder Fließgeschwindigkeit (Kubikfuß/Minute oder Liter/Sekunde) quantifiziert werden. Es wurde in Erfahrung gebracht, dass die Luftgeschwindigkeit bei der Überführung der Hitze aus den elektronischen Komponenten in den Luftstrom ein wichtiger Faktor ist, und dass die Luftstromgeschwindigkeit bei der Überführung der Hitze aus dem Inneren des elektronischen Systems nach außen ein wichtiger Faktor ist.
Wenn man bedenkt, dass die Luftstromgeschwindigkeit in ein System der Luftstromgeschwindigkeit aus dem System heraus entspricht, wurde in Erfahrung gebracht, dass die ankommende Luftstromgeschwindigkeit vorteilhaft unter strategisch dimensionierten und angeordneten Einlassöffnungen aufgeteilt werden kann, um abhängig von den Kühlungserfordernissen für die jeweiligen Komponenten eine angemessene örtlich beschränkte Kühlung bereitzustellen. Die Öffnungen sollten z. B. in der Nähe der Wärmeerzeugungskomponenten befindlich sein, die dicht untergebracht sind oder die die höchsten Verlustleistungsmerkmale haben. Die Größe der Öffnungen sollte auch dem Verhältnis des Luftstroms entsprechen, der benötigt wird, um eine besondere Komponente oder Komponentengruppe zu kühlen. Die Öffnungen können durch die Verwendung von Verschlussklappen, Schiebetüren, Luftklappen oder andere Aufbauten größenmäßig einstellbar hergestellt sein, um Flexibilitäts- und Eiristellbarkeitsmerkmale bereitzustellen.
Ausgewählte Einlassöffnungsstellen und -größen können bestätigt werden, um eine richtige Kühlung zu gewährleisten, und zwar durch die Verwendung von computergestützten Fluid-Dynamik- (CFD)-Systeme, die gut bekannt sind. Durch die Eingabe ausgewählter Öffnungsgrößen und -stellen sowie der Information, die die Gehäuse- und Komponentenanbringungsgeometrien, Komponentenleistungsverlustmerkmale und Lüftermerkmale betrifft, kann das CFD-System verwendet werden, um den Luftstrom durch das System so zu modellieren, dass alle erforderlichen Einstellungen vorgenommen werden können.
Obwohl diese Erfindung in Bezug auf die hierin zur Veranschaulichung von ausgewählten spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist erwogen, dass viele Modifikationen und Änderungen der beschriebenen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne sich vom Geist oder Schutzumfang dieser Erfindung zu lösen. Zum Beispiel ist für die Erfindung die Anzahl oder die Größe der Einlassöffnungen unkritisch. Obwohl es für sie bevorzugt ist, eine Hauptansaugöffnung und mindestens eine sekundäre Öffnung zu haben, kann es irgendeine Anzahl an Öffnungen geben, und die Öffnungen können an jeder Oberfläche des Gehäuses ausgerichtet sein.
Auch kann der gemäß dieser Erfindung verwendete Lüfter ein Gebläse, ein Ventilator, ein Gebläserad oder irgendein anderes geeignetes Mittel sein, um einen Luftstrom zu erzeugen. Der Lüfter kann Teil eines modularen Aufbaus sein, der zur Verbindung mit dem oder im Gehäuse ausgebildet ist, oder kann der Lüfter integral im Gehäuse angebracht sein. Das Computergehäuse selbst kann ein Chassis oder irgendein Gehäuse sein, das für elektronische Komponenten geeignet ist. Das Gehäuse kann modular sein oder aus einem Stück bestehen. Zusätzliche Modifikationen und Änderungen können vorgenommen werden, ohne sich vom Schutzumfang dieser Erfindung, wie eigens in den anliegenden Ansprüchen definiert, zu lösen.

Claims

1. Eine Vorrichtung (10), die für die allgemeine Kühlung von elektronischen Komponenten (20) ausgebildet ist und für die örtliche Kühlung von ausgewählten elektronischen Komponenten (14, 16), wobei die Vorrichtung (10) folgendes umfasst:

ein Gehäuse (12), das die elektronischen Komponenten (20) und die ausgewählten elektronischen Komponenten (14, 16) umschließt;

einen Lüfter (32), der mit dem Gehäuse (12) verbunden ist und positioniert ist, um einen Luftstrom zu einer Auslassöffnung (30), die im Gehäuse (12) bestimmt ist, zu treiben;

eine Einlassöffnung (28), die im Gehäuse (12) bestimmt ist, durch die Luft in das Innere des Gehäuses (12) angesaugt wird, wobei der Lüfter (32) einen seriellen Luftströmungsweg erzeugt, der sich von der Einlassöffnung (28) zur Auslassöffnung (30) hin für die allgemeine Kühlung der im Gehäuse (12) eingeschlossenen elektronischen Komponenten (20) erstreckt;

sekundäre Öffnungen (36), die im Gehäuse (12) bestimmt sind, durch die Luft in das Innere des Gehäuses (12) angesaugt wird, wobei jede der sekundären Öffnungen (36) in der Nähe zu mindestens einer der ausgewählten elektronischen Komponenten (14, 16) positioniert ist;

wobei der Lüfter (32) einen parallelen Luftströmungsweg erzeugt, der sich von den sekundären Öffnungen (36) erstreckt, wobei sich jeder der parallelen Luftströmungswege angrenzend an der mindestens einen ausgewählten elektronischen Komponente (14, 16) erstreckt, und dann den seriellen Luftströmungsweg erreicht, um die mindestens eine elektronische Komponente (14, 16) lokal zu kühlen.

2. Die Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Auslassöffnung (30) in einem Endabschnitt des Gehäuses (12) bestimmt ist.

3. Die Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 2, wobei die Einlassöffnung (28) in einem entgegengesetzten Endabschnitt des Gehäuses (12) bestimmt ist.

4. Die Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Einlassöffnung (28) und die sekundären Öffnungen (36) dimensioniert sind, um das Verhältnis der Luft zu steuern, die entlang des seriellen Luftströmungswegs und jedes der parallelen Luftströmungswege strömt.

5. Die Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, wobei jede der ausgewählten elektronischen Komponenten (14, 16) in oder in der Nähe zu einem der parallelen Luftströmungswege angebracht ist.

6. Die Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, die weiterhin ein Luftfilter (34) umfasst, das positioniert ist, um sich entlang mindestens eines der parallelen Luftströmungswege oder des seriellen Luftströmungwegs zu erstrecken.

7. Die Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, wobei der Lüfter (32) aus einer Gruppe gewählt ist die aus einem Gebläserad, einem Gebläse oder einem Ventilator besteht.

8. Die Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, wobei der Lüfter (32) in Bezug zum Gehäuse (12) abnehmbar und ersetzbar ist.

9. Die Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, die weiterhin ein Kühlmodul (142) umfasst, in dem der Lüfter (32) angebracht ist.

10. Die Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Auslassöffnung (30) in einem oberen Abschnitt des Gehäuses (12) bestimmt ist.

11. Die Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 10, wobei die Einlassöffnung (28) in einem unteren Abschnitt des Gehäuses (12) bestimmt ist.

12. Die Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, wobei der Lüfter (32) positioniert ist, um einen Niederdruckbereich innerhalb mindestens eines Abschnitts des Inneren des Gehäuses (12) zu erzeugen.