工业计算机的开口框架冷却 【技术领域】
本发明总体上涉及计算机的冷却。更具体而言，本发明涉及一种利用自然对流冷却的计算机。
背景技术
例如高压电力传输系统中的高性能工业计算机会变得非常热因此需要进行冷却，所述高压电力传输系统比如FACTS(灵活交流输电系统)和HVDC(高压直流)等。
传统上，这些及其它类型的计算机利用冷却风扇来进行冷却，所述冷却风扇经由空气过滤器水平吹送空气而穿过计算机箱或计算机框架。这种冷却的一个问题是由于利用强制空气来进行冷却而会在计算机框架内部积聚灰尘。即使在相当洁净的控制室环境中灰尘积聚也会非常严重。
因此，存在在避免计算机中积聚灰尘的情况下对计算机尤其是工业环境中的计算机进行冷却的需要。
一种替代使用风扇的方案是利用对流冷却。这方面在一些文献中有描述。
例如，美国专利US 5,243,493就描述了一种为了避免与风扇关联的噪音的、用于个人计算机的无风扇式对流冷却设计。该文献描述了设有用于容置个人计算机的壳体。该壳体限定有空腔。在该空腔中，像电源和功率晶体管这样的主要发热部件设置在连接至散热件的顶前部。此外，设有附接至空腔后部的侧面的主印刷电路板。其它印刷电路板竖直且垂直地附接至主印刷电路板。
在“Natural Convection Enhancement of Channel Array inConjunction with Wall Surface(与壁表面结合的通道阵列的自然对流增强)”(电子系统热及热机现象会议，2004年，ITHERM’04；第九次学会间研讨，2004年6月1-4日；第128-133页；Kazuaki Yazawa)中，描述了为了减少与有源冷却关联的噪音的、用于消费电子器件热学管理的无源冷却增强。该文献描述了所谓“烟囱效应”的利用，即利用壳体壁以便将热量驱散至周围环境。该壁包括通道阵列。而且，壁内侧连接至恒温散热器。PWB(印刷线路板)上的热源进而连接至该散热器。
美国专利US 5,671,120中描述了PC(个人计算机)的类似方案，从而免除风扇的使用，因为风扇会易于发生故障及噪音大。在该文献中，母板具有安装在第一侧上的IC(集成电路)和位于相反的第二侧上的端口接头和外围设备。母板经由所述第一侧安装至散热板。导热结构设置在母板上的IC与散热板之间。此外，该散热板是用于计算机的壳体壁。在母板的第二侧上还设置有扩展插槽卡，从而允许将扩充插件卡安装至母板。
鉴于上面已述情况，因此，存在提供一种计算机的无风扇式冷却装置的需要。
【发明内容】
本发明的一个目的是提供一种在冷却期间避免灰尘积聚的计算机。
该目的与本发明的第一方面一致，即通过一种利用自然对流冷却的计算机来实现，该计算机包括：
-框架，其具有沿第一方向延伸并且限定及包围腔室的壁部，该腔室具有设置为垂直于所述第一方向的上开口端和下开口端，其中所述壁部中的一个壁部是散热件并且所述腔室包括所述计算机的元件，
-所述元件包括
-主板，其邻近所述散热件壁部在所述腔室中沿所述第一方向延伸、具有朝所述腔室的内部向内面对的第一侧和面对所述散热件壁部的相反的第二侧、并且包括放置成由所述散热件壁部冷却的发热部件，以及
-至少一个副板，其连接至所述主板的第一侧并且放置成在所述腔室中沿所述第一方向延伸以及与所述主板成直角。
本发明具有若干优点。避免了在框架中积聚灰尘。由于免除了风扇，所以维护需求低。此外，无需空气过滤器以及与这种过滤器关联的问题，比如过滤器被堵塞等。
【附图说明】
在下文中将参照附图来描述本发明，在所述附图中：
图1示出了安装在高压电力传输系统的控制室中的工业计算机的立体图；
图2示出了用于图1的计算机的框架的立体图；
图3示出了根据本发明第一实施方式地简化计算机的俯视图；
图4示出了根据本发明第二实施方式的简化计算机的俯视图；
图5示出了根据本发明第三实施方式的简化计算机的俯视图；
图6示出了连接至安装板的用于计算机的框架的视图。
【具体实施方式】
在下文中，将给出根据本发明的计算机的优选实施方式的详细描述。
在图1中示出的是根据本发明的工业计算机16安装在控制室10的壁部上的立体图。这里，控制室10是设置有空调的控制室，所以室10设置有用于从所述室抽出空气的出口12和用于向所述室提供空气的入口14。这里，出口12示出为靠近室10的天花板，而入口14靠近室10的地板。而且，计算机16设置在框架18中，这里，框架18利用安装板19安装至室10的壁部上。
通常控制室中的计算机会安装在带有其它部件的控制柜中。这里，计算机示出为安装在所述室的壁部上以便清楚示出该计算机不应直接搁置在地板上，而应放置在地板上方。这样做的原因稍后将在说明书中变得清楚。
图2示出图1中的框架18的立体图。这里设置为横截面为方形的筒体的框架18具有若干壁部，壁部的数量至少是两个，而这里是四个。一个壁部是前壁部，另一个是通过两个侧壁部彼此连结的后壁部。在图中前壁部是最远的壁部，而在图中后壁部被遮挡。这里，壁部都沿第一方向D1延伸，该第一方向D1在图1中是竖直方向。前壁部和后壁部另外还沿垂直于第一方向D1的第二方向D2延伸，而侧壁部另外还沿第三方向D3延伸。由此，壁部限定并包围了腔室28。因而这里腔室28具有方形横截面并具有上开口端20和下开口端22。下开口端22将会面对控制室的地板，而上开口端20将会面对所述室的天花板。这里应当认识到，各个开口端可以由防护网板覆盖，例如形式为比如金属材料的线网或冲孔板。这样，上开口端20设置在沿第二方向D2和第三方向D3延伸的第一平面中从而垂直于第一方向，下开口端22设置在沿第二方向D2和第三方向D3延伸的第二平面中，从而该第二平面也垂直于第一方向，同时平行于第一平面。
根据本发明，壁部之一，这里是将会面对所述室的壁部的后壁部，以散热件的形式设置。这里应当认识到，框架18可以具有像方形和三角形等任何类型的合适横截面，而且任一壁部都可以提供散热件。有利的是由不弯曲的壁部提供散热件。于是，该壁部会沿第一方向D1以及第二方向D2或第三方向D3的另一方向延伸，因而垂直于第一平面和第二平面。然而，框架的其它壁部可以弯曲，例如像半椭圆形筒体或半圆形筒体。
图3示出根据本发明第一实施方式的简化计算机16的俯视图。这里，腔室28示出为由四个壁部围绕，所述四个壁部包括前壁部24和后壁部26。在图中能够清楚看到后壁部26也是散热件。散热件壁部26包括在其面离腔室28的外侧上设置有翼片的矩形板。这些翼片沿第一方向延伸，因而从下开口端伸至上开口端。而且，这些翼片沿第二方向彼此间隔开。翼片的这种彼此间隔在散热件中翼片之间限定若干通道30，从而所述通道中每一个均沿第一方向从框架的下开口端延续到上开口端。散热件壁部26优选由比如铝等合适的冷却材料制成。
此外，在腔室28内部设置有主板32，经常被称为母板。该主板32设置在腔室28内部并沿第一方向延伸，这里，主板32还以邻近且平行于散热件壁部26的方式沿第二方向延伸，因而也是从下开口端伸至上开口端。该主板32具有第一侧和相反的第二侧，该第一侧朝腔室28内部并因而朝腔室28中心向内面对，该相反的第二侧面对散热件壁部26。连接至主板32的第一侧的有第一副板34、第二副板36和第三副板38，这些副板经常被称为PCI(周边元件扩展接口)板。在腔室28中这些副板34、36、38被放置成沿第一方向延伸同时在这里还沿第三方向延伸，从而与主板32成直角，并因而也从腔室的下开口端伸至上开口端。
在主板32的第二侧设置有若干发热部件40和42，仅示出了这些发热部件中的两个。这些部件40和42可包括CPU40和芯片组42。不会产生那么多热量的其它部件可以设置在第一侧上。副板也包括部件，但是在本发明的该实施方式中不会包括产生过多热量的部件。这里这些发热部件40和42设置为直接接触散热件壁部26。最后设置有向整个计算机提供电力的电源模块44。该电源模块44也连接至散热件26。
当框架正确安装在诸如控制室等室中时，框架的上开口端面对天花板，而下开口端面对地板。这也意味着沿第一方向和第二方向延伸的计算机元件以及沿第一方向和第三方向延伸的元件为竖直取向，而沿第二方向和第三方向延伸的开口端是水平取向。因此，在这里第一方向是竖直方向。当计算机在具有这种取向的这种情形下工作时，通过自对流，即利用烟囱原理，自动发生冷却。这意味着冷空气将通过框架的下开口端流入，向上经过竖直布置的副板和竖直布置的主板，因而冷却其上的部件，随后通过框架的上开口端排出。同时冷空气也会在散热件的通道中从所述室的地板朝天花板朝上自然流动，从而帮助冷却该散热件和与之直接连接的部件和模块。
这样的话就无需风扇。而且，所产生的空气流不会强至使灰尘进入腔室。从而不会发生灰尘积聚。由于无需风扇，所以也无需任何空气过滤器。因此，该方案的进一步优点是消除了对过滤器的清洁，而且无需因风扇故障而引起的维修。
可以对图3中所示的设计进行改进。下面将结合图4来描述改进设计的一种方式，图4示出了根据本发明第二实施方式的简化计算机16的俯视图。
这里，相对于图3只做了两处更改，也就是在第三副板38上设有另一个发热部件48，该部件经由热管50连接至散热件，而且在主板32的发热部件40及42与散热件壁部26之间设置有散热器46。热管50在第一端连接至部件48，在第二端连接至散热件壁部26。
如本领域内众所周知，热管是包括有流体的管。第一端中的液体初始时设为液态形式，但是由于加热而变成蒸气。该气体自然地流至第二端，在第二端处其凝结成液体，然后液体在毛细作用下下落或移动回到第一端。当存在无法接近散热件放置---例如位于副板38上的部件---的发热部件时，使用热管是有利的。
同样如本领域内众所周知，散热器是用于排除热量的板件，该板件能够与部件和各种模块结合使用，比如COM express(模块上的计算机快速)和ETX(嵌入式技术延伸)模块。这里，散热器配置为使得部件的机械特性适应于散热器的机械特性。
这里应当认识到，本发明可以设置这些另外的排除热量元件、散热器或热管中的仅仅之一。还应当认识到，在副板上有另外的发热部件需要冷却的情况下，可以设置更多热管。
可以通过设置在控制室中的空调来帮助冷却计算机。因而，所述室的这种外部冷却增强了通过本发明提供的自然冷却。
然而，这种空调会在一些非常罕见的情形下发生故障。由此，室温会升高而超过一定程度，在该程度下尤其是副板的自然冷却不充分。在这种情况下，可以提供按需强制冷却功能。下面将结合图5描述一种提供这种按需强制冷却的方式，图5示出了根据本发明第三实施方式的简化计算机16的俯视图。这里，相对于图3仅做了一处更改，也就是设置了风扇52，该风扇52连接至温度传感器54。
这里，风扇52可以配置为仅仅在腔室中的温度极其高时启动，该温度由温度传感器54感测。这里，风扇52可以仅仅配置为在短的时间段中启动以便快速降低腔室中的温度。这种短暂且有限的强制空气冷却对框架内的灰尘积聚的影响非常有限。这种类型的按需冷却进一步增强了计算机框架的工作安全性。
如上所述，与所述室关联的空调系统可以用于增强计算机的自然冷却。为了更为详细地描述这种情形，再次参照图1并参照图6，图6示出了连接至安装板19的计算机框架18的俯视图。
因而，安装板19可以连接至框架18，然后可以沿第一方向以及第二方向或第三方向延伸。而且，在本示例中，该安装板19连接至框架的散热件壁部26。这里，板19设置为沿离开腔室28中心的方向与散热件壁部26隔开一定距离且平行于散热件壁部26。这样做是为了不干扰通过散热件壁部26的通道的空气流动。而且，该板19放置成垂直于框架18的上开口端和下开口端设置在其中的第一平面和第二平面。此外，该板19延伸超出这些端部及其平面，如图1中所看到的。这样便保证框架18安装在室10的地板上方。因此，确保了由空调系统12、14吹送的地板上方的空气将到达框架并冷却计算机。
当框架安装在机柜时，该机柜可以在底部设置进气口以便接收这种来自空调系统的空气。这方面具有进一步的优点，即更进一步地增加计算机的可靠性。
因而，已描述这样一种计算机，该计算机的优点在于避免在框架中积聚灰尘。在利用强制空气冷却的计算机中，一到一年后就会出现这一问题。
本发明还提供了若干进一步的优点。由于免除了风扇所以维护需求低。此外，无需空气过滤器以及与这种过滤器关联的问题，比如过滤器被堵塞等。在让来自空调系统的空气经由地板穿过框架的情况下，提供了一种非常有效的可靠性得以改进的冷却。
除了那些已经提及的方式，本发明还可以一些其它方式进行进一步修改。电源单元可以如图3-5所示地单独设置，或者可以设置在主板上。在附图中示出了三个副板。应当认识到，依据需求数量可以设有更多或更少的副板。此外，应当清楚框架可以倒置安装，使得与如上所述的功能大致相同的功能。因此，腔室的上开口端可以变成腔室的下开口端，反之亦然。此外，本发明描述为涉及工业计算机。应当认识到，本发明能够用于任何计算机，例如PC(个人计算机)。当然同样显而易见的是，本发明不必与空调室结合使用。
从前述讨论显而易见，本发明能够以多种方式进行修改。因此，应当认识到，本发明仅仅局限于以下的权利要求书。