(57)【要約】      （修正有）【課題】ヒートシンクの冷却特性を向上させる。【解決手段】冷却装置は、第１の、および少なくとも１つの第２の熱を発生するコンピュータ構成要素を有し、各コンピュータ構成要素が少なくとも１つのヒートシンクと結合する。ヒートシンクは供給される冷却空気流の方向に関して平面上に順々に配置される。冷却装置は、ヒートシンクが同一の構成であり、各ヒートシンクが互いに異なる熱転移特性を有する隣り合った少なくとも２つの領域を含む。加えて、隣接する領域よりそれぞれ高い熱転移能力を有するヒートシンクの領域が、冷却空気流の方向に関して順々に配置されるように、ヒートシンクが平面上で互いに対して回転状態に配置される。【選択図】図１
2010152886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の、および少なくとも１つの第２の熱を発生するコンピュータ構成要素を有し、各コンピュータ構成要素が少なくとも１つのヒートシンク（４０、５０）と結合し、ヒートシンク（４０、５０）が供給される冷却空気流（３０）の方向に関して平面（１０）上に順々に配置される、冷却装置であって、ヒートシンク（４０、５０）が同一の構造であり、各ヒートシンク（４０、５０）が互いに異なった熱転移特性を有する隣り合った少なくとも２つの領域（４１、４２、５１、５２）を含み、下流ヒートシンクの領域（５１、５２）のうち１つが、冷却空気流（３０）の方向に関して、本質的に、より悪い熱転移特性を有する上流ヒートシンク（４０）の領域（４２）のみの下流にあるように、ヒートシンク（４０、５０）が平面（１０）上で互いに対して回転状態に、または、ずれた状態に配置される、冷却装置。
【請求項２】
ヒートシンク（４０、５０）が冷却フィン（７０）を有し、該冷却フィン（７０）が、その長手方向が供給される冷却空気流（３０）に対して平行であるように配置されることを特徴とする、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
互いに異なる熱伝導率を有する領域（４１、４２、５１、５２）が、冷却フィン（７０）の間隔（９０）が異なることによって形成されることを特徴とする、請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
冷却空気流（３０）がファン（２０）によって生成されることを特徴とする、請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
第１の、および少なくとも１つの第２の熱を発生するコンピュータ構成要素を有し、各コンピュータ構成要素が１つのヒートシンク（４０、５０）と結合し、第１のおよび第２のヒートシンク（４０、５０）を冷却する冷却空気流（３０）が供給され、ヒートシンク（４０、５０）が供給される冷却空気流（３０）の方向に関して平面（１０）上に順々に配置される、方法であって、２つのヒートシンク（４０、５０）が同一の構造であり、各ヒートシンクが、互いに異なる熱転移特性を有する隣り合った領域（４１、４２、５１、５２）を含み、冷却空気流（３０）の流れ方向に関して、下流ヒートシンク（５０）の１つの領域（５１、５２）が、より悪い熱転移特性を有する上流ヒートシンク（４０）の領域（４１）のみの下流にあるように、ヒートシンクが順々に配置されることを特徴とする、方法。
【請求項６】
ヒートシンク（４０、５０）が冷却フィン（７０）を有し、該冷却フィン（７０）が、その長手方向が供給される冷却空気流（３０）に対して平行であるように配置されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
互いに異なる熱伝導率を有する領域（４１、４２、５１、５２）が、冷却フィンの間隔（８０、９０）が異なることによって形成されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
冷却空気流（３０）がファン（２０）によって生成されることを特徴とする、請求項４から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
第１の、および少なくとも１つの第２の熱を発生するコンピュータ構成要素を有し、各コンピュータ構成要素が少なくとも１つのヒートシンク（４０、５０）と結合し、ヒートシンク（４０、５０）が供給される冷却空気流（３０）の方向に関して平面（１０）上に順々に配置される、冷却装置であって、各ヒートシンク（４０、５０）が同一の構造であって、各ヒートシンク（４０、５０）が互いに異なった流動抵抗を有する隣り合った少なくとも２つの領域（４１、４２、５１、５２）を含み、下流ヒートシンクの領域（５１、５２）のうち１つが、冷却空気流（３０）の方向に関して、本質的に、より低い流動抵抗を有する上流ヒートシンク（４０）の領域（４２）のみの下流であるように、ヒートシンク（４０、５０）が平面（１０）上で互いに対して回転状態に、または、ずれた状態に配置される、冷却装置。
【請求項１０】
ヒートシンク（４０、５０）が冷却フィン（７０）を有し、該冷却フィン（７０）が、その長手方向が供給される冷却空気流（３０）に対して平行であるように配置されることを特徴とする、請求項９に記載の冷却装置。
【請求項１１】
互いに異なる熱伝導率を有する領域（４１、４２、５１、５２）が、冷却フィン（７０）の間隔（９０）が異なることによって形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の冷却装置。
【請求項１２】
冷却空気流（３０）がファン（２０）によって生成されることを特徴とする、請求項１１に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、第１の、および少なくとも１つの第２の熱を発生するコンピュータ構成要素を有する冷却装置に関し、各コンピュータ構成要素は少なくとも１つのヒートシンクと結合する。ヒートシンクは単一の平面上に、供給される冷却空気流の方向に関して順々に配置される。
【０００２】
コンピュータは数多くの様々な電気的、電子的および一体型の、機能するために電力を必要とする構成要素からなる。これらの電気的エネルギーの一部は不要な熱に変換される。この熱は、過熱による構成要素への損傷を避けるために、取り除かれなければならない。コンピュータのさらなる発展とともに、これらの電気的、電子的および一体型の構成要素、特に一体型の構成要素およびその回路は、性能が高まるとともに空間的範囲においてはより小さくなっている。これに伴い、失われるエネルギーの量はより狭い領域において増加している。それゆえ、取り除かなければならない不要な熱の量もまた必然的に増加する。熱を発生するコンピュータ構成要素のより効率的な冷却の重要性が、それゆえ増加している。
【０００３】
不要な熱を取り除くためのヒートシンクが知られている。ヒートシンクはアルミニウムなどの固体材料でつくられ、電気的、電子的および一体型の構成要素から不要な熱を外気へと追い出す。
【０００４】
熱を発生するコンピュータ構成要素を冷却するための冷却装置であって、第１の、および少なくとも１つの第２の熱を発生するコンピュータ構成要素を有し、熱を発生する各コンピュータ構成要素が少なくとも１つのヒートシンクと結合する、冷却装置を提供することは、特許文献１公報から知られている。ヒートシンクは単一の平面上に、供給された冷却空気流の方向に関して順々に配置される。この装置は、上流ヒートシンクによって予熱された冷却空気のみが冷却空気の方向の下流に配置されたヒートシンクに到達することを示唆する。したがって、そのような装置において下流ヒートシンクにおいて達成されうる冷却能力は、上流ヒートシンクにおける冷却能力よりも常に低い。この影響を補うために、そしてそれでもなお下流ヒートシンクにおける十分な冷却を達成するために、第１のヒートシンクおよび第２のヒートシンクを通り、したがって２つのヒートシンクを順々に冷却する冷却空気流を形成することによって、下流ヒートシンクにおける冷却能力を向上させることが特許文献１公報において提案されている。加えて、特許文献１公報には、下流ヒートシンクのみを冷却する追加の冷却空気流を形成することが提案されている。そのほかにもこの手段に対しては、下流ヒートシンクが上流ヒートシンクよりも大きく形成されること、したがって、下流ヒートシンクの表面が上流ヒートシンクの表面に対して広いこと、そしてそのようにして、冷却空気に熱を放射する下流ヒートシンクの熱転移特性が上流ヒートシンクと比べて向上することが、特許文献１公報に提案されている。より大きい表面積を形成するために、上流ヒートシンクと比べて冷却フィンの間隔をより狭くしたり、あるいは冷却フィンをより高くしたりすることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許公開第２００８／００４１５６２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この解決策は下流ヒートシンクの冷却特性を向上させるためには適切であるが、生産コストの増加につながる。というのは、冷却フィンの間の間隔がより狭いことによってより多くの数の冷却フィンがつくられるため、そして下流ヒートシンクの冷却フィン自身の寸法の増加のため、より多くの材料と、それゆえより高い生産コストが必要になるからである。
【０００７】
それゆえ、十分な冷却能力が両方のヒートシンクにおいて達成されることができ、加えて、知られている手段と比較して生産コストが低くなりうる、解決策を提案することが本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この問題は、独立請求項に記載された特徴により解決される。第１の、および少なくとも１つの第２の熱を発生するコンピュータ構成要素を冷却するための冷却装置および冷却方法であって、各構成要素が少なくとも１つのヒートシンクと結合する、冷却装置および冷却方法が提案される。ヒートシンクは単一の平面上に、供給された冷却空気流の方向に関して順々に配置されている。知られている従来技術とは区別される解決策は、ヒートシンクが同一の構造であり、各ヒートシンクが、互いに異なる熱転移特性または流動抵抗を有する隣り合った少なくとも２つの領域を含み、そのうち１つの領域はより良い熱転移特性またはより高い流動抵抗を有する構造であり、もう１つの領域はより悪い熱転移特性またはより低い流動抵抗を有する構造である。加えて、より悪い熱転移特性またはより低い流動抵抗を有するヒートシンクの領域が冷却空気流の方向に順々に配置されるように、ヒートシンクは平面上の一点の周囲におけるその平面上での回転状態に配置される。あるいは、より良い熱転移特性またはより高い流動抵抗を有する下流ヒートシンクの領域が、本質的に、より悪い熱転移特性またはより低い流動抵抗を有する上流ヒートシンクの領域のみの下流にあるように、ヒートシンクは回転状態にではなく、平面上に互いに対してずれた状態に配置される。
【０００９】
加えて、少なくとも１つの第１の冷却空気部分流が生成され、その冷却空気部分流は、より悪い熱転移特性またはより低い流動抵抗を有する上流のヒートシンクの領域を本質的に冷却し、冷却空気流の方向に関して下流のヒートシンクの領域の１つを冷却する。第１の冷却空気部分流は、熱転移特性がより悪いか流動抵抗がより低いため、より良い熱転移特性またはより高い流動抵抗を有する領域を冷却する隣接の第２の冷却空気部分流よりも、熱エネルギーを吸収する量が少ない。その結果として、上流ヒートシンクを離れた時点の第１の冷却空気部分流の温度レベルは、第２の冷却空気部分流の温度レベルよりも低い。それゆえ、十分に冷たい冷却空気流が、下流ヒートシンクにおける第１の冷却空気部分流において得られ、下流ヒートシンクにおいて十分な冷却効果をなおも達成することが可能となる。このことは、第２の冷却空気部分流と共に、より良い熱転移特性またはより低い流動抵抗を有する上流ヒートシンクの領域のみを本質的に冷却する冷却空気部分流が生成されるという、追加の効果を有する。
【００１０】
この装置においてはさらに有利なことに、ヒートシンクの構造が同一であることによって２つの点で生産コストの削減が行われる。１つ目は、今や下流ヒートシンクはもはや上流ヒートシンクより多くの材料を必要としないことである。２つ目は、構造が同一であることによって生産コストをさらに削減できることである。というのは、同一のヒートシンクを生産するためには機械を２回同じように用いればよいためである。
【００１１】
個々のヒートシンクの効果が２つの物理的パラメータにより基本的に表現されうる。これらの物理的パラメータのうち１つは、固体、液体または気体の熱伝導率、および熱伝導による熱エネルギー運搬の能力である。比熱伝導率は、温度依存の物質定数として絶対熱伝導率からは区別される。絶対熱伝導率は構成要素の次元に依存した固有値である。比熱伝導率は構成要素の次元と独立しており、ヒートシンクを構成する材料の材料定数である。したがって熱伝導率は、ヒートシンクに関して、第１の転移面、例えば、電気的、電子的または一体型構成要素と結合している転移面から、第２の転移面への熱伝導におけるヒートシンクの特性を表す。
【００１２】
ヒートシンクの効率を表す追加の物理的パラメータは、固体からそれと接する気体または液体への熱転移である。熱転移は２つの物体の間の転移面の寸法および温度差の大きさに正比例する。したがって熱転移は、ヒートシンクに関して、第１に、第１の転移面においてヒートシンクと結合した電気的、電子的または一体型構成要素から熱を吸収するためのヒートシンクの特性を表し、第２に、第２の転移面において周囲の媒体、例えば空気へと熱を放出する特性を表す。熱転移は２つの物体の間の温度差にも直接依存するため、冷却空気の温度レベルを可能な限り低く保つように、新しい冷却空気が冷却空気流によって絶えずもたらされる。したがって、より悪い熱転移特性を有するヒートシンクの領域は、より良い熱転移特性を有する領域と比べて、ヒートシンクを取り囲む空気への熱エネルギーの転移量が少ない。
【００１３】
提案された装置においては有利なことに、下流ヒートシンクにおける熱転移の向上が、２つのヒートシンクを通り過ぎる空気の流速、ひいては空気の量を増加させることなく、同一の構造のヒートシンクにより達成される。
【００１４】
ひれ（ｆｉｎ）のような構造のためにその名前がついた冷却フィンにより、物体の表面領域は平坦な表面と比較して容易に拡大されうる。それによって、第２の面における空気への熱転移は向上する。冷却フィンは、ヒートシンクの金属などの熱伝導性材料からつくられた構造をしている。
【００１５】
本発明の有利な実施形態では、それゆえ、長手方向が供給される冷却空気流に対して平行であるように配置された冷却フィンと共に、ヒートシンクが構成されることをもたらす。このことは、ヒートシンクの第２の表面が平らな表面と比較して拡大されるだけでなく、冷却フィンに起因してヒートシンクにおける流動特性が向上するという利点をもたらす。このことはヒートシンクに絶え間なく供給される冷却空気をもたらす。
【００１６】
別の有利な実施形態は、相互に異なる熱転移特性の領域が、冷却フィンの間隔が異なることによって形成されることをもたらす。隣接する領域より良い熱転移特性を有するヒートシンクの領域が、したがって、ヒートシンクの間の間隔をより小さくするような構造により形成される。したがって、より多数の冷却フィンと、それゆえ、より大きな第２の表面とが、ヒートシンクの設置面積（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）において可能である。このようにして、生産時の材料が節約される。というのは、より低い熱転移の領域はより高い熱転移の領域に対して冷却フィンの数が少ないためである。加えてまた、異なる間隔で設計された領域においては、冷却フィンによって生じる流動抵抗は異なるものが形成されうる。冷却フィンの間の距離が小さい領域では、冷却フィンの間の距離が大きい領域よりも、それゆえ流動抵抗が大きい。このことはまた、それぞれの領域における熱放出に影響を与える。より高い流動抵抗を有する領域は、それゆえ、冷却空気への熱放出をより良くする。
【００１７】
別の有利な実施形態によれば、冷却空気流がファンによって生成されることがもたらされる。例えば自然対流によって生成される冷却空気流と比較して、ファンによる冷却空気流は著しく急速に変化しうる。したがって、環境条件の変化への素早い反応が可能である。というのは、自然対流によって形成された空気流の流速はあまり素早く影響を受け得ないのに対し、ファンからの流速は急速に増加し得るからである。上記法則によって構成された装置は下流ヒートシンクにおいてと同様に上流ヒートシンクにおいても十分な冷却能力を可能にする。知られている従来技術とは対照的に、十分な冷却空気を下流ヒートシンクに供給することのみを目的にファンの輸送能力を増加させる必要はない。したがって、熱を運び出すために必要な電力消費およびエネルギー投入は比較的小さい。上記法則の別の利点は、より良い冷却特性で、例えばファンのノイズ発生が増加しないことである。このことは、本質的に、両方のヒートシンク上の熱転移の低い領域が１つの空気流によって冷却され、加えて、熱せられていない冷却空気によって冷却される領域が下流ヒートシンク上に形成されることが達成される。
【００１８】
本願発明はその法則的諸特性およびそれらの各利点に関して上記に示される。本願発明は図面と共に実施形態に基づいて以下に詳細に記載される。
【００１９】
同一の部品は異なる図において同一の参照符号により示される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】互いに対して回転状態に配置された２つのヒートシンクを備えた実施形態を示す図である。
【図２】互いに対してずれた状態に配置された２つのヒートシンクを備えた実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は平面１０上に配置された２つのヒートシンクの概略的な表現を示している。平面１０は、図示された実施形態ではコンピュータ中央処理装置ＣＰＵなどである２つの集積構成要素（ＩＣ）が配置される、例えばコンピュータのメインボードを表している。
【００２２】
コンピュータ中央処理装置ＣＰＵはコンピュータの中央処理ユニットであり、熱発生が大きい。コンピュータ中央演算装置ＣＰＵは一般にブロック状のハウジング内に組み込まれている。これらのブロック状のハウジングはヒートシンクに熱的に結合されている。すなわち、ブロック状のハウジングはヒートシンクに熱の形態で熱エネルギーを放出する。
【００２３】
平面１０上を流れる冷却空気流３０はファン２０によって生成される。冷却空気流３０の方向に関して上流のヒートシンク４０は、冷却空気流３０の方向に関して下流のヒートシンク５０と同様、平面１０上に配置されている。上流ヒートシンク４０は下流ヒートシンク５０と構造は同一である。２つのヒートシンク４０、５０が、隣り合った２つの領域４１、４２および５１、５２をそれぞれ有し、該隣り合った２つの領域は互いに異なる熱転移特性を有する。上流ヒートシンク４０の領域４１はより悪い熱転移特性を有する領域である。上流ヒートシンク４０の領域４２はより良い熱転移特性を有する領域である。状況はヒートシンク５０に関しても同様である。すなわち、領域５１はより悪い熱転移特性を有する領域であり、領域５２はより良い熱転移特性を有する領域である。
【００２４】
平面１０上で、より悪い熱転移特性を有するヒートシンク４０、５０の領域４１、５１が供給される冷却空気流３０の方向に関して順々に配置されるように、ヒートシンク４０、５０は平面１０上で点６０の周囲における回転状態に配置される。
【００２５】
説明の目的で、本実施形態の冷却空気流３０は３つの冷却空気部分流２１、２２、２３に分割されている。第１の冷却空気部分流２１は上流ヒートシンク４０の領域４１と下流ヒートシンク５０の領域５１を冷却する。上流ヒートシンク４０の領域４１は上流ヒートシンクの領域４２に比較してより悪い熱転移特性を有して構成されている。図１の実施形態において、このことは冷却フィン７０の密度が低いことによって達成される。領域４１、４２の設置面積が大体等しいため、領域４１の冷却フィン７０の間の第１の間隔寸法８０を、領域４２の冷却フィンの間にもたらされる第２の間隔寸法９０よりも大きくすることによって、より低い密度の冷却フィン７０が形成される。同様のことが、下流ヒートシンク５０の領域５１および５２にもあてはまる。したがって、上流ヒートシンク４０の領域４２は、下流ヒートシンク５０の領域５２と同様に、２つのヒートシンク４０および５０の領域４１および５１と比較して向上した熱転移特性を有する。加えて、領域４１、４２、５１、５２の流動抵抗が異なる。冷却フィン７０の間の距離がより大きいために、領域４１、５１は領域４２および５２よりも冷却空気流に対する流動抵抗が低い。２つのヒートシンクの領域４２および５２の熱転移特性を向上させることにより、十分な冷却効果が冷却空気部分流２１内の両方のヒートシンクに対して達成される。加えて、２つのヒートシンクの各領域４１および５１において、冷却空気部分流２２および２３は上流ヒートシンクによって予熱されたり遮られたりすることがなく、よって良い流動状態が、より良い熱転移特性を有する領域において達成されうる。
【００２６】
この実施形態において、冷却フィン７０は間隔を開けて、長手方向を冷却空気流３０の流れの方向として延伸している。それによって、ヒートシンクにおける流動状態はさらに向上し、それによって冷却の効率はさらに向上する。
【００２７】
図２は平面１０に配置された２つのヒートシンクを有する実施形態を概略的に表している。この実施形態においても同様に、平面１０上を流れる冷却空気流３０がファン２０によって生成される。冷却空気流３０の方向における上流ヒートシンク４０は、冷却空気流３０の方向における下流ヒートシンク５０と同様に、平面１０上に配置されている。上流ヒートシンク４０は下流ヒートシンク５０と構造的に同一である。この実施形態においても同様に、２つのヒートシンク４０および５０が、隣り合った２つの領域４１、４２および５１、５２をそれぞれ有し、該隣り合った２つの領域は互いに異なる熱転移特性を有する。上流ヒートシンク４０の領域４１はより悪い熱転移特性を有する領域であり、上流ヒートシンク４０の領域４２はより良い熱転移特性を有する領域である。状況はヒートシンク５０に関しても同様である。領域５１はより悪い熱転移特性を有する領域であり、領域５２はより良い熱転移特性を有する領域である。
【００２８】
ヒートシンク４０および５０は冷却空気流３０の方向に対して互いにずれた状態で平面１０上に配置されている。ずれた状態の配置は、冷却空気部分流２１が本質的にまず上流ヒートシンク４０の領域４１上を流れ、それから下流ヒートシンク５０の領域５２上を流れるように選択される。
【００２９】
したがって、第１の冷却空気部分流２１は上流ヒートシンク４０の領域４１を冷却し、下流ヒートシンク５０の領域５２を冷却する。上流ヒートシンク４０の領域４１は上流ヒートシンク４０の領域４２と比較してより悪い熱転移特性を有するように構成されている。図２の実施形態において、これは冷却フィン７０の密度がより低く、もたらされる流量抵抗がより低いことによって達成される。この方法が達成することのひとつは、冷却空気部分流２１が上流ヒートシンクの領域４１において吸収する熱エネルギーをより少なくし、したがって、下流ヒートシンク５０の領域５２上を通る際に十分な熱エネルギーをさらに吸収することができ、この領域における冷却効果を同様に達成することができる。さらに、冷却空気部分流２２は、この領域における熱転移特性がより良いかまたは流動抵抗がより高いために、上流ヒートシンク４０の領域４２をより強く冷却する。２つのヒートシンクの領域４２および５２の向上した熱転移特性、またはより高い流動抵抗によって、十分な冷却効果が各冷却空気部分流２１および２２内のこれらのヒートシンクにおいて達成される。したがって、冷却空気部分流２２は上流ヒートシンク４０の領域４２のみを冷却し、したがって冷却空気部分流２２の加熱は下流ヒートシンクに不利な影響を全く与えない。加えて、冷却空気部分流２１は上流ヒートシンク４０の領域４１を弱く冷却し、下流ヒートシンク５０の領域５２を強く冷却する。冷却空気部分流２３は事前の加熱なしに下流ヒートシンク５０の領域５１を冷却し、したがって、この領域５１の冷却に関して最大の温度差を達成する。それゆえ、ヒートシンク４０と５０の両方に対して最適な冷却性能をもたらす。
【００３０】
図２に示された実施形態においても同様に、冷却フィン７０は間隔を開けて、長手方向を冷却空気流３０の流れの方向として延伸している。それによって、ヒートシンクにおける流動状態はさらに向上し、それによって冷却の効率はさらに向上する。
【００３１】
どちらの実施形態においても、２つのヒートシンク４０および５０が互いに対して回転状態またはずれた状態に配置されることにより重なり合う領域が形成されることが意図されている。これは、冷却空気流３０がまず上流ヒートシンク４０上を、次に下流ヒートシンク５０上を流れる領域である。上流ヒートシンク４０の領域４２の冷却フィン７０の間隔がより大きいために、より多くの冷却空気が下流ヒートシンクにおいて重なり合う領域において利用可能となる。領域４２または５２の流動抵抗が領域４１または５１の流動抵抗のそれぞれ半分の流動抵抗値を有する場合、ヒートシンクにおける適切な流動状態が形成される。
【符号の説明】
【００３２】
１０  平面
２０  ファン
２１、２２、２３  冷却空気部分流
３０  冷却空気流
４０  上流ヒートシンク
５０  下流ヒートシンク
４１／４２  上流ヒートシンクの隣り合った領域
５１／５２  下流ヒートシンクの隣り合った領域
６０  点
７０  冷却フィン
８０  第１の間隔寸法
９０  第２の間隔寸法
【図１】
2010152886.tif 000003
【図２】
2010152886.tif 000004
【外国語明細書】
METHOD AND DEVICE FOR COOLING HEAT-GENERATING COMPUTER COMPONENTS
The invention relates to a cooling arrangement with a first and at least one second heat-creating computer component, each coupled to at least one heatsink. The heatsinks are arranged one after the other in a single plane, in the direction of a provided coolant air stream.
Computers comprise numerous different electrical, electronic and integrated components that require electrical power to function. Parts of this electrical energy are converted into undesired heat. This heat must be removed to avoid damage to the components from overheating. With the increasing development of computers, these electrical, electronic and integrated components, particularly integrated components and their circuits, are becoming smaller in spatial extent with an increasing performance. Accompanying this, the amount of lost energy is increasing in a smaller area. Therefore, the amount of undesired heat that must be removed necessarily also increases. The importance of a more efficient cooling of the heat-generating computer components has, therefore, increased.
Heatsinks for removing the undesired heat are known. Heatsinks are made of solid materials such as aluminum, and conduct undesired heat away from the electrical, electronic and integrated components to the ambient air.
Providing a cooling arrangement for cooling the heat-generating computer components, with a first and at least one second heat-creating computer component, each coupled to at least one heatsink, is known from the publication US 2008/0041562 A1. The heatsinks are arranged one after the other in a single plane, in the direction of a provided coolant air stream. This arrangement implies that only coolant air that has been preheated by the upstream heatsink reaches the heatsink arranged downstream in the direction of the coolant air. Accordingly, the cooling power that can be achieved at the downstream heatsink in such an arrangement is always lower than the cooling power at the upstream heatsink. To compensate for this effect and nonetheless achieve sufficient cooling at the downstream heatsink, it is proposed in US 2008/0041562 A1 that the cooling power at the downstream heatsink be improved by forming a coolant air stream that passes the first heatsink and the second heatsink and, thus, cools the two heatsinks one after the other. It is additionally proposed, according to the publication US 2008/0041562A1, that an additional coolant air stream be formed, which cools only the downstream heatsink. Alternatively to this measure, it is proposed in the publication US 2008/0041562 that the downstream heatsink be formed larger than the upstream heatsink, and, thus, the surface of the downstream heatsink be increased relative to the upstream heatsink, and in that way, the heat transfer properties of the downstream heatsink for emitting heat to the coolant air be improved in comparison to the upstream heatsink. To form the larger surface area, narrower spacings of the cooling fins, or higher cooling fins in comparison to the upstream heatsink are proposed.
This solution is suitable for improving the cooling properties of the downstream heatsink, but leads to increased production costs because a larger number of cooling fins are produced due to the narrower spacing between the cooling fins, and with an increase in the size of the cooling fins themselves of the downstream heatsink, more material and, therefore, higher production costs are necessary.
Therefore, it is the task of the invention to propose a solution with which a sufficient cooling power can be achieved at both heat sinks, and the same time production costs can be reduced in comparison to known measures.
This problem is solved by the characteristics described in the independent claims. A cooling arrangement and a cooling method for cooling a first and at least one second heat-creating computer component, each coupled to at least one heat sink, is proposed. The heatsinks are arranged one after the other in a single plane, in the direction of a provided coolant air stream. The solution is distinguished from the known prior art in that the heatsinks are of identical construction, and each heat sink comprises at least two areas side-by-side with mutually different heat transfer properties or flow resistances, of which one area is constructed with better heat transfer properties, or higher flow resistances, and one area is constructed with worse heat transfer properties or lower flow resistances. In addition, the heatsinks are rotated in the plane around a point lying in the plane in such a manner that the areas of the heatsinks with the respectively worse heat transfer property, or lower flow resistances are arranged one after the other in the direction of the coolant airflow. Alternatively, the heatsinks are arranged offset with respect to one another in the plane, not rotated, in such a manner that the area of the downstream heatsink with the better heat transfer properties, or the higher flow resistances, is downstream of essentially only the area of the upstream heatsink with the worse heat transfer properties, or the lower flow resistances.
In addition, at least one first coolant air substream is generated, which essentially cools the area of the upstream heatsink with the worse heat transfer properties, or lower flow resistances, and cools one of the areas of the downstream heatsink in the direction of the coolant air flow. Because of the worse heat transfer characteristics, or lower flow resistances, the first coolant air substream absorbs a lesser amount of heat energy than does an adjacent second coolant air substream that cools the area with the better transfer properties or higher flow resistances. As a result, the temperature level of the first coolant air substream upon leaving the upstream heatsink is lower than the temperature level of the second coolant air substream. Therefore, sufficiently cool coolant air is available with the first coolant air substream at the downstream heatsink to be able to still achieve a sufficient cooling effect at the downstream heatsink. This has the additional result that with the second coolant air substream, a coolant air substream is created that essentially cools only the area of the upstream heatsink with the better heat transfer properties, or the lower flow resistances.
It is additionally advantageous with the arrangement that a savings of production costs is created in two ways by the identical construction of the heatsinks. First, the downstream heatsink now no longer requires more material than the upstream heatsink. Second, the production costs can likewise be reduced by the identical construction, since machines for the production of the identical heatsinks can be utilized twice as well.
The effectiveness of an individual heatsink can be fundamentally described by means of two physical parameters. One of these physical parameters is the thermal conductivity of a solid, a liquid or a gas and its ability to transport thermal energy by means of thermal conduction. The specific thermal conductivity is differentiated as a temperature dependent material constant from the absolute thermal conductivity. The absolute thermal conductivity is a characteristic number dependent on the dimension of a component. The specific thermal conductivity is independent of the dimensions of the component, and is a material constant of the material from which the heatsink is constructed. In relation to a heatsink, the thermal conductivity accordingly describes the property of the heatsink for conducting the heat from a first transfer surface, for example, the transfer surface that is coupled to the electrical, electronic or integrated component, to a second transfer surface.
An additional physical parameter for describing the effectiveness of a heatsink is the heat transfer from a solid to a gaseous or liquid body in contact with it. The heat transfer is directly proportional to the size of the transfer surface and to the magnitude of the temperature difference between the two bodies. In relation to a heatsink, the heat transfer accordingly describes, first, the property of the heatsink for absorbing heat from the electrical, electronic or integrated component coupled to the heat sink at the first transfer surface and, second, property for outputting the heat at the second transfer surface to the ambient medium, for example air. Since the heat transfer is also directly dependent on the temperature difference between the two bodies, fresh coolant air is constantly brought in by means of the coolant air flow to keep the temperature level of the coolant air as low as possible. Accordingly, the area of the heatsink with worse heat transfer properties transports a lower amount of thermal energy to the air surrounding the heatsink than does the area with better heat transfer properties.
It is advantageous with the proposed arrangement that the improvement of the heat transfer at the downstream heatsink is achieved with heatsinks of identical construction, without the flow speed and, thus, the amount of air that passes by the two heatsinks being increased.
By means of cooling fins, which have this name because of their fin-like design, the surface area of a body can be easily enlarged in comparison to a smooth surface. Thereby, the heat transfer to the air at the second surface is improved. The cooling fins are a construction made of thermally conductive material such as the metal of the heatsink.
An advantageous embodiment of the invention therefore provides that the heatsink be constructed with cooling fins that are arranged parallel in their longitudinal orientation to the provided coolant air stream. This yields the advantage that, not only is the second surface of the heatsink enlarged by comparison to a flat surface, but also improved flow properties at the heatsinks result from the cooling fins. This provides a constant supply of coolant air to the heatsinks.
Another advantageous embodiment provides that areas of mutually different heat transfer properties are formed by different spacings of the cooling fins. The area of the heatsink with the better heat transfer properties than the adjacent area is, thus, formed by designing the spaces between the heatsinks to be smaller. Thus, a larger number of cooling fins and, therefore, a larger second surface is possible on the footprint of the heatsink. In this way, material is saved in production, since the area with lower heat transfer has a smaller number of cooling fins with respect to the area of higher heat transfer. In addition, a flow resistance caused by the cooling fins can likewise be formed differently at the areas with differently designed spacings. The area with the smaller distances between the cooling fins, therefore, has a higher flow resistance than the area with the larger distances between the cooling fins. This also has an effect on the heat output of the respective area. The area with the higher flow resistance, thus, brings about a better heat output to the coolant air.
According to another advantageous embodiment, it is provided that the coolant air stream is produced by means of a fan. In comparison to a coolant air stream generated, for instance, by natural convection, a coolant air stream can be very rapidly varied by the fan. Thus, a quick reaction to changed environmental conditions is possible, because the flow rate from the fanny can be rapidly increased, while the flow rate of an air stream formed by natural convection cannot be quickly influenced. The arrangement constructed according to the aforementioned principle allows an efficient cooling power at the upstream heatsink just as at the downstream heatsink. In contrast to the known prior art, the conveyance power of the fan accordingly need not be increased merely to provide the downstream heatsink with sufficient coolant air. Consequently, the power consumption and the energy input that is necessary to transport away the heat is comparatively small. Another advantage of the aforementioned principle is that, with the better cooling property, the noise generation of the fan, for example, is not increased. This is achieved in that, essentially, the area of lower heat transfer on both heatsinks is cooled by one air stream, and, in addition, an area that is cooled by unheated coolant air is formed on the downstream heatsink.
The invention has been described above with respect to its principal properties and their respective advantages. The invention will be described in detail below on the basis of embodiments with the aid of figures. Therein,
Figure 1 shows an embodiment with two heatsinks rotated with respect to one another, and
Figure 2 shows an embodiment with two heatsinks offset with respect to one another.
Identical parts are furnished with identical reference numbers in the different figures.
Figure 1 shows a schematic representation of two heatsinks arranged on a plane 10. Plane 10 is representative of, for example, a computer mainboard on which two integrated components (IC) such as computer central processors CPU are arranged in the illustrated embodiment.
Computer central processors CPU are central processing units of the computer and have a high heat generation. Computer central processors CPU are generally embedded in block-like housings. These block-like housings are thermally coupled to the heatsinks. That is to say, the block-like housings output thermal energy in the form of heat to the heatsinks.
A stream of coolant air 30 that passes over plane 10 is produced by means of a fan 20. An upstream heatsink 40 in the direction of the coolant airflow 30, as well as a downstream heatsink 50 in the direction of coolant air stream 30 are arranged on plane 10. Upstream heatsink 40 is identical in construction to downstream heatsink 50. Each of the two heatsinks 40, 50 has two side-by-side areas 41, 42 and 51, 52, respectively, with heat transfer properties different from one another. Area 41 of upstream heatsink 40 is the area with the worse heat transfer properties. Area 42 of upstream heatsink 40 is the area with the better heat transfer properties. The situation is the same for heatsink 50; area 51 is the area with the worse heat transfer properties, and area 52 is the area with the better heat transfer properties.
Heatsinks 40, 50 are arranged rotated about a point 60 in plane 10 in such a manner that in plane 10, the areas 41, 51 of heatsinks 40, 50 with the worse heat transfer properties are arranged one after the other in the direction of the provided coolant air stream 30.
For purposes of explanation, coolant air stream 20 in the present embodiment is divided into three coolant air substreams 21, 22, 23. First coolant air substream 21 cools the area 41 of upstream heatsink 40 and area 51 of downstream heatsink 50. Area 41 of upstream heatsink 40 is constructed with worse heat transfer properties in comparison to area 42 of upstream heatsink. In the embodiment of Figure 1, this is achieved by means of a lower density of cooling fins 70. The lower density of cooling fins 70 is formed by providing, for an approximately equal footprint of areas 41, 42, a first spacing dimension 80 between the cooling fins 70 in area 41, the size of which is larger than a second spacing dimension 90 that is provided between the cooling fans of area 42. The same applies to areas 51 and 52 of downstream heatsink 50. Thus, area 42 of upstream heatsink 40, just like area 52 of downstream heatsink 50 has improved heat transfer properties in comparison to areas 41 or 51 of the two heatsinks 40 and 50. In addition, the flow resistances of areas 41, 42, 51, 52 are different. Because of the larger distance between cooling fins 70, areas 41, 51 have a lower flow resistance to the coolant air stream than do areas 42 and 52 . By means of the improved heat transfer properties of areas 42 and 52 of the two heatsinks, sufficient cooling effect is achieved on both heatsinks in coolant air substream 21. In addition, coolant air substreams 22 and 23 at areas 41 and 51, respectively, of the two heatsinks are not preheated or shadowed by an upstream heatsink, so that good flow conditions can be achieved in the areas with better heat transfer properties.
In the embodiment, cooling fins 70 extend spatially in their length direction in the flow direction of coolant air stream 30. Thereby, the flow conditions at the heatsinks are further improved, whereby the efficiency of the cooling is additionally improved.
Figure 2 shows a schematic representation of an embodiment with two heatsinks arranged on plane 10. In this embodiment as well, a stream of coolant air 30 that passes over plane 10 is produced by means of a fan 20. An upstream heatsink 40 in the direction of the coolant airflow 30, as well as a downstream heatsink 50 in the direction of coolant air stream 30 are arranged on plane 10. Upstream heatsink 40 is identical in construction to downstream heatsink 50. In this embodiment as well, each of the two heatsinks 40, 50 has two side-by-side areas 41, 42 and 51, 52, respectively, with heat transfer properties different from one another. Area 41 of upstream heatsink 40 is the area with the worse heat transfer properties than area 42 of upstream heatsink 40, which has the better heat transfer properties. The situation is the same for heatsink 50; area 51 is the area with the worse heat transfer properties, and area 52 is the area with the better heat transfer properties.
Heatsinks 40, 50 are arranged in plane 10 offset to one another in the direction of coolant air stream 30. The offset arrangement is selected such that coolant air substream 21 essentially first flows across area 41 of upstream heatsink 40 and then area 52 of downstream heatsink 50.
Thus, first coolant air substream 21 cools area 41 of upstream heatsink 40 and area 52 of downstream heatsink 50. Area 41 of upstream heatsink 40 is constructed with worse heat transfer properties in comparison to area 42 of upstream heatsink 40. In the embodiment of Figure 2, this is achieved by means of a lower density of cooling fins 70, which results in a lower flow resistance. One achievement of this measure is that coolant air substream 21 absorbs less heat energy at area 41 of the upstream heatsink and, therefore, can still absorb sufficient heat energy when passing over area 52 of downstream heatsink 50 to achieve a cooling effect at this area, as well. Furthermore, coolant air substream 22 cools area 42 of upstream 40 more intensely because of the better heat transfer properties, or higher flow resistance, of this area. By means of the improved heat transfer properties, or the higher flow resistance, of areas 42 and 52 of the two heatsinks, a sufficient cooling effect is achieved at these heatsinks in the respective coolant air substreams 21 and 22. Thus, coolant air substream 22 cools only area 42 of upstream heatsink 40, so that the heating of coolant air substream 22 has no disadvantageous effect on downstream heatsinks. In addition, coolant air substream 21 cools area 41 of upstream heatsink 40 lightly, and area 52 of downstream heatsink 50 intensely. Coolant air substream 23 cools area 51 of downstream heatsink 50 without prior heating and, thus, achieves a maximum temperature difference for cooling at this area 51. Therefore, an optimal cooling performance overall results for both heatsinks 40 and 50.
In the embodiment illustrated in Figure 2 as well, cooling fins 70 extend spatially in their length direction in the flow direction of coolant air stream 30. Thereby, the flow conditions at the heatsinks are further improved, whereby the efficiency of the cooling is additionally improved.
It holds for both embodiments that an overlap area is formed by the rotated or offset arrangement of the two heatsinks 40 and 50 relative to one another. This is the area in which coolant air stream 30 flows first over upstream heatsink 40 and then over downstream heatsink 50. Due to the larger spacing of cooling fins 70 on area 42 of upstream heatsink 40, more coolant air is available in the overlap area at the downstream heatsink. Optimal flow conditions at the heatsinks are formed if the flow resistance of area 42 or 52 has a flow resistance value half the flow resistance of area 41 or 51, respectively.
List of reference symbols
10 Plane
20 Fan
21, 22, 23 Coolant air substreams
30 Coolant air stream
40 Upstream heatsink
50 Downstream heatsink
41/42 Side-by-side areas of the upstream heatsink
51/52 Side-by-side areas of the downstream heatsink
60 Point
70 Cooling fins
80 First spacing dimension
90 Second spacing dimension
Claims
1. Cooling arrangement with a first and at least one second heat-generating computer component, each coupled to at least one heatsink (40, 50), wherein the heatsinks (40, 50) are arranged one after the other in a plane (10) in the direction of a provided coolant air stream (30), characterized in that the heatsinks (40, 50) are of identical construction, and each heatsink (40, 50) comprises at least two side-by-side areas (41, 42, 51, 52) with heat transfer properties different from one another, and the heatsinks (40, 50) are arranged rotated or offset relative to one another in the plane (10) in such a manner that one of the areas (51, 52) of the downstream heatsink is downstream in the direction of the coolant air stream (30) essentially only of the area (42) of the upstream heatsink (40) with the worse heat transfer properties.
2. Cooling arrangement according to Claim 1, characterized in that the heatsinks (40, 50) comprise cooling fins (70) that are arranged parallel to the provided coolant air stream (30) in their longitudinal extension.
3. Cooling arrangement according to Claim 2, characterized in that areas (41, 42, 51, 52) with mutually different heat conductivity are formed by different spacings (90) of cooling fins (70).
4. Cooling arrangement according to Claim 3, characterized in that the coolant air stream (30) is produced by means of a fan (20).
5. Method with a first and at least one second heat-generating computer component, each of which is coupled to a heatsink (40, 50), wherein a coolant air stream (30) is provided that cools first and second heatsinks (40, 50), and wherein the heatsinks (40, 50) are arranged one after the other in the direction of coolant air stream (30) in a plane (10) in the direction of a provided coolant air stream (30), characterized in that the two heatsinks (40, 50) are of identical construction, and each comprises side-by-side areas (41, 42, 51, 52) with heat transfer properties different from one another and arranged one after the other in such a manner that, in the flow direction of the coolant air stream (30), one area (51, 52) of downstream heatsink (50) is downstream in the direction of the coolant air stream (30) only of the area (41) of upstream heatsink (40) with the worse heat transfer property.
6. Method according to Claim 5, characterized in that the heatsinks (40, 50) comprise cooling fins (70) that are arranged in their longitudinal extension parallel to the provided coolant air stream (30).
7. Method according to Claim 6, characterized in that the areas (41, 42, 51, 52) with mutually different heat conductivity are formed by different spacings (80, 90) of the cooling fins.
8. Method according to one of Claims 4-6, characterized in that the coolant air stream (30) is produced by means of a fan (20).
9. Cooling arrangement with a first and at least one second heat-generating computer component, each coupled to at least one heatsink (40, 50), wherein the heatsinks (40, 50) are arranged one after the other in a plane (10) in the direction of a provided coolant air stream (30), characterized in that the heatsinks (40, 50) are of identical construction and each heatsink (40, 50) comprises at least two side-by-side areas (41, 42, 51, 52) with flow resistances different from one another, and the heatsinks (40, 50) are arranged rotated or offset relative to one another in such a manner that, one of the areas (51, 52) of the downstream heatsink is downstream in the direction of the coolant air stream (30) essentially only of the area (42) of the upstream heatsink (40) with the lower flow resistances. 
10. Cooling arrangement according to Claim 9, characterized in that the heatsinks (40, 50) comprise cooling fins (70) that are arranged in their longitudinal extension parallel to the provided coolant air stream (30).
11. Cooling arrangement according to Claim 10, characterized in that areas (41, 42, 51, 52) with mutually different heat conductivity are formed by different spacings (90) of the cooling fins (70).
12. Cooling arrangement according to Claim 11, characterized in that the
coolant air stream (30) is produced by means of a fan (20).
Abstract
The invention relates to a cooling arrangement with a first and at least one second heat-creating computer component, each coupled to at least one heatsink (40, 50). Heatsinks (40, 50) are arranged one after the other in a plane (10) in the direction of a provided coolant air stream (30). The cooling arrangement is distinguished in that heatsinks (40, 50) are of identical construction, and each heatsink (40, 50) comprises at least two side-by-side areas (41, 42, 51, 52) with heat transfer properties different from one another. In addition, heatsinks (40, 50) are arranged in plane (10) rotated relative to one another in such a manner that areas (42, 52) of heatsinks (40, 50) with a higher respective heat transfer power than the adjacent area (41, 51) are arranged one after the other in the direction of coolant air stream (30).
Significant figure: Figure. 1
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