CN115245061A - 冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种冷却系统(105)，其包括用于贴靠在安置在电路板(115)上的电子结构元件(120)上的散热器(135)；和用于容纳冷却流体的冷却通道(125)。在此，冷却通道(125)具有用于容纳散热器(135)的留空部(130)；并且散热器(135)设置用于根据结构元件(120)与电路板(115)的距离安置到留空部(130)中，使得电路板(115)能够以预定的距离安置在冷却通道(125)上，从而使结构元件(120)贴靠在散热器(135)上。

Description

冷却系统

技术领域

本发明涉及一种冷却系统。尤其地，本发明涉及一种用于车辆的车载系统中的电气结构组件的冷却系统。

背景技术

车辆包括处理装置，其例如控制车辆的驾驶功能。处理装置可以将预定的电功率转换成热量，其中，功率可以与处理装置的处理技术负载相关。处理装置的热功率可以说明为“热设计功率”(TDP)，并用作确定冷却系统的尺寸设计的基础。高效的处理装置(例如CPU或GPU)可以具有在大约30W、60W或高达100W以上的范围内的热设计功率。尤其是当处理装置控制车辆的与安全相关的功能时，重要的是在所有情况下确保充分的冷却。

为了带走处理装置的热量，可以使用具有闭合的冷却回路的冷却系统，冷却流体在该冷却系统中循环。冷却流体容纳在冷却通道中，在该冷却通道上可以安置电路板，处理装置焊接在电路板上。在焊接时，处理装置与电路板之间的距离可以在预定的范围内变化。因此，在处理装置与冷却通道之间可能存在间隙，该间隙通常通过导热材料(导热膏或导热垫)填充。然而，导热材料的热阻通常是相对较高的，从而可能防止最佳的冷却。

发明内容

本发明所基于的任务是，说明一种用于电子结构元件与冷却通道的改进的热连接的技术。本发明通过独立权利要求的主题解决该任务。从属权利要求反映了优选的实施方式。

冷却系统包括用于贴靠在电子结构元件(其安置在电路板上)上的散热器；和用于容纳冷却流体的冷却通道。在此，冷却通道具有用于容纳散热器的留空部；并且散热器设置用于根据结构元件与电路板的距离安置到留空部中，使得电路板能够以预定的距离安置在冷却通道上，从而使结构元件贴靠在散热器上。

因此，结构元件与电路板的距离的变化可以通过冷却通道的留空部中的散热器的轴向位置来单独补偿。证实的是，结构元件与电路板的距离可以在预定的范围内变化。例如，如果结构元件包括BGA(“球栅阵列”)壳体中的半导体，那么结构元件的上侧与电路板之间的距离在其安置后可以在大约±0.2毫米的范围内变化。散热器可以在留空部中可变地定位在相应的区域中。以该方式可以减小散热器与结构元件之间的剩余的间隙，在理想情况下可以减小到最佳的粘贴层厚(Bond line thickness(粘贴层厚))。散热器可以直接或通过导热材料连接到结构元件。导热材料可以是膏状的或者包括在加热时可变形的固体。

散热器可以设置用于，力锁合地容纳在留空部中。尤其优选的是，散热器通过摩擦锁合保持在冷却通道上。由此，即使当振动或碰撞作用到散热器上时，散热器也可以安全地被紧固。当具有冷却系统的结构元件应该安置在车辆中时，这尤其可以是有利的。可以根据所需的负载能力适当地设置摩擦锁合。例如，散热器与冷却通道之间的侧面应力可以是足够大的，以便即使在加速度为重力加速度的预定的倍数的情况下也将散热器安全地保持在冷却通道上。所需的侧面应力可以根据散热器的质量来确定。

散热器可以设置用于压入留空部中。在此，散热器相对于留空部可以具有预定的过大尺寸，从而在安置时产生预定的侧面应力。散热器和冷却通道可以通过压配合或过盈配合相互保持。散热器也可以通过温差方法安置在冷却通道上。在第一变型方案中，冷却通道可以被加热以用于安装，从而留空部增大，以便能够安装或定位未加热的散热器。该过程也可以被称为收缩。在第二变型方案中，可以冷却散热器以进行安装，以便安装到未冷却的冷却通道中。该过程也可以被称为冷收缩、缩入(Eindehnen)或冷缩。这两种方法也可以相互组合。所有提到的变型方案能够实现所涉及的配对件(Partner)在精密的预定的位置处的固定连接，当在它们之间进行温度补偿时。

散热器优选具有设置用于贴靠在电子结构元件上的外端部和设置用于被冷却通道中的冷却流体在周围冲刷的内端部。散热器优选包括具有能良好导热的材料、尤其是诸如铝或镁、铜或银的金属。

散热器优选以流体密封的方式与冷却通道连接。可以防止冷却流体沿散热器在冷却通道上的贴靠面的转移，或至少将转移减小至预定的可接受的程度。在优选的实施方式中，为此，用于流体密封的贴靠的密封器件径向地设置在散热器与冷却通道之间。为此优选的是，密封器件完全围绕散热器。密封器件可以容纳在设置在散热器或冷却通道中的相应的空间中。该空间尤其可以包括槽，当散热器安置在冷却通道上时，该槽可以设置在位于散热器的内端部和外端部之间的轴向区域中。散热器和留空部可以分别具有圆形的横截面。槽优选构造为环形槽。

密封器件可以实现为O形环。密封器件的材料可以适当地被选择，并且例如包括丁腈橡胶(丙烯腈-丁二烯橡胶或腈基丁二烯橡胶，NBR)。O形环可以构造为标准构件、例如EPDM-70型。这种材料在乙二醇-水混合物中表现出良好的特性。在另一实施方式中，轴密封环也可以用作密封器件。轴密封环通常不位于环形槽中，而是位于冷却通道中的向内敞开的凸出部中。

对散热器的位置的指示可以安置在已安装的冷却系统上，在该冷却系统中，散热器安置在冷却通道的留空部中。该指示可以直接指出散热器的轴向位置，并且可以例如相对于预定的参考表面以毫米为单位来说明。尤其地，该指示可以涉及散热器相对于冷却通道的高度。在另外的实施方式中，指示可以间接被给出并且参考表格中的条目。该表格可以由冷却系统的制造商例如以电子方式被维护，例如以数据库的形式被维护。冷却系统的唯一的标识优选安置在冷却系统上。该标识可以用作针对表格的条目的关键字，其中，条目反映了散热器的轴向位置。因此，可以在没有测量的情况下确定散热器的位置。

可选地，可以以相应的方式在电子结构组件(其包括电路板和安置在其上的电子结构元件)上安置关于结构元件与散热器之间的距离的指示。因此，可以改进地确定结构组件与机械或热兼容的冷却系统之间的配对。

此外优选的是，冷却系统和结构组件分别设置用于以预定的距离相互安置。为此，可以在冷却通道一侧和电路板一侧设置分别设置用于相互贴靠的贴靠面。

散热器包括外端部和内端部。外端部设置用于贴靠在电子结构元件上，该电子结构元件安置在电路板上，并且内端部设置用于由冷却通道中的冷却流体在周围冲刷。在此，散热器设置用于，根据结构元件与电路板的距离放置在冷却通道的留空部中，使得电路板可以以预定的距离安置在冷却通道上。散热器可以优选用于构建在此描述的冷却系统。

多个隆起部可以构造在散热器的内端部上，在一个实施方式中，这些隆起部彼此平行地延伸。隆起部例如可以是柱形的，并且根据冷阱的类型尤其在轴向上延伸至散热器。冷却通道中的冷却流体的优选的流动方向优选横向于隆起部地延伸。在另一实施方式中，冷却流体可以穿流过的回纹形的凹陷部也可以构造在内端部上。冷却通道中的冷却流体的流动方向在此可以基本上引导通过回纹部，或至少促进通过回纹部的流动。

用于容纳冷却流体的冷却通道具有用于容纳散热器的留空部。冷却通道设置用于，以预定的距离安置在电路板上，电子结构元件安置在该电路板上。冷却通道此外设置用于，在与结构元件和电路板之间的距离相关的距离中容纳散热器，从而使得散热器贴靠在电子结构元件上并且通过留空部凸出。冷却通道尤其可以设置用于容纳在此描述的散热器。

本发明还包括用于提供冷却系统的第一方法，该冷却系统包括散热器和用于使冷却流体穿流过的冷却通道；其中，冷却通道具有用于容纳散热器的留空部；其中，散热器具有内端部和外端部；其中，外端部设置用于贴靠在电子结构元件上，该电子结构元件安置在电路板上；其中，内端部设置用于由冷却通道中的冷却流体在周围冲刷。该方法包括以下步骤：确定距离，电子结构元件在该距离中安置在电路板上；并且根据特定的距离将散热器定位到冷却通道的留空部中，从而使得当电路板以预定的距离安置在冷却通道上时，散热器的外端部贴靠在电子结构元件上。

因此，针对预设的电子结构组件(其包括电子结构元件和电路板)可以单独建立或调整在此描述的冷却系统。

用于提供在此描述的冷却系统的第二方法包括以下步骤：提供多个冷却通道，其具有以不同的距离安装的散热器；提供具有安置的电子结构元件的电路板；并且根据电子结构元件与电路板的距离选择所提供的冷却通道中的一个，使得电路板可以以预定的距离安置在冷却通道上，从而使得散热器的外端部贴靠在电子结构元件上。

因此，针对预设的结构组件可以从大量可用的冷却系统中选择合适的冷却系统。可以方便更换冷却系统上的结构组件。相反，也可以针对现有的冷却系统确定合适的结构组件。相互匹配的结构组件和冷却系统的确定可以以某个方式确定，该方式例如为了高负载的齿轮的配对，例如对于内燃机上的初级啮合部是已知的。

附图说明

现在参考附图详细描述本发明，其中：

图1示出了具有电气结构组件的冷却系统；

图2示出了冷却系统的散热器的不同的视图；

图3示出了冷却系统的另一视图；

图4示出了第一方法的流程图；并且

图5示出了第二方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了具有冷却系统110和电气结构组件105的系统100。系统100优选设置用于安装在车辆上，尤其是机动车辆上。系统100可以设置用于控制车辆的功能。在实施方式中，系统100设置用于，根据例如借助照相机、雷达或激光雷达传感器对环境的扫描来执行对车辆的纵向和/或横向控制。

结构组件105包括电路板115，电子结构元件120安置在该电路板上。结构元件120尤其可以包括处理装置，并且例如可以设计为CPU或GPU。结构元件120通常焊接在电路板115上；然而，例如通过安置在电路板115上的底座(结构元件可以从该底座拆卸)的其他的安置方式也是可能的。在安置时，结构元件120相对于电路板115的位置可以在预定的范围内变化。位置沿水平方向、即平行于电路板115的表面的变化通常是不关键的。当前假设的是，结构元件120相对于电路板115的倾斜也是不关键的。位置的竖直变化可以在大约±0.2毫米的范围内。

冷却系统105包括具有留空部130的冷却通道125，散热器135安置到该留空部中。冷却通道125可以由多个元件形成，这些元件封闭冷却流体可以在其中流动的空间。冷却通道125未在图1中示出。如稍后将更详细地示出的那样，冷却通道125设置用于，允许冷却流体仅到达散热器135的下方的区段。在此，冷却通道125机械地放置在载体140上，当前，该载体还可以承载另外的结构元件。载体140例如可以由轻金属以铸造结构方式制造。在图1中，另外的散热器安置在载体140的下侧，环境空气可以围绕该另外的散热器流动。

冷却通道125可以是被封闭的系统的一部分，其中，冷却流体优选是液态的，并且例如可以包括由水和乙二醇构成的混合物。冷却系统105可以设置用于，使冷却流体以循环方式沿散热器135流动以便吸收热量，将冷却流体进一步引导至辐射器，在那里可以输出热量，并且将冷却流体重新引导至散热器。在图1的左前方的区域中可以看到接头，冷却系统105的冷却流体可以通过该接头流入或流出。

散热器135优选由具有低的热阻的材料、例如诸如铝或镁之类的轻金属制成。散热器135具有通常垂直于冷却通道125的边界延伸的纵向轴线150。如果结构组件110安置在冷却系统105上，那么纵向轴线150优选垂直于电路板115的表面地延伸。例如当下面提及径向或轴向方向时，参考纵向轴线150。

在相对于纵向轴线150的对置的侧面上，散热器135具有设置用于被冷却流体在周围冲刷的内端部155和设置用于贴靠在电子结构元件120上的外端部160。在端部155和160之间的区域中，散热器135穿过留空部130。散热器135优选在该区域中通过摩擦锁合保持在冷却通道125上。

结构组件110可以安置在载体140上，冷却系统105可以安置在该载体上。在另一实施方式中，结构组件110也可以直接紧固在冷却系统105上，并且尤其是紧固在冷却通道125上。结构元件120相对于电路板115的所提到的高度公差可以导致的是，在结构元件120与紧固在冷却通道125上的散热器135的外端部160之间存在间隙，该间隙阻碍良好的热传输。机械公差的补偿可以通过导热材料(TIM：热界面材料)进行。然而，由于导热材料的热阻，散热器135不能最佳地热连接至结构元件120。

因此提出的是，将用于预定的结构组件110的散热器135在轴向上单独定位在留空部135中。例如，可以在结构组件110上测量结构元件120相对于电路板115的轴向位置，并且可以据此调节散热器135的轴向位置。

在此特别优选的是，散热器135通过摩擦锁合机械地保持在冷却通道125上。为了安全地紧固散热器135，可以将散热器压入、收缩或缩入到留空部130中。轴向位置可以在散热器135在冷却通道135上的安装的范围内或仅稍后在校准或调整步骤中被调节。

为了在留空部130的区域中抵消冷却通道125的内侧与外侧之间的冷却流体的转移，可以设置密封器件165，该密封器件未在图1中示出。密封器件165尤其可以包括散热器135与冷却通道125之间的径向密封件。槽170可以设置用于容纳密封器件165，该槽备选地可以径向引入到散热器135中或冷却通道125的材料中。在留空部130的区域中，散热器135和冷却通道125可以分别具有圆形的横截面。槽170可以构造为环形槽。常见的O形环可以设置为密封器件。

图2示出了设置用于冷却系统105中的散热器135的不同的视图。图2a将外端部160置于前景中，而图2b更好地示出了内端部155。

散热器135可以具有大致柱形的形状或由大致柱形的形状塑造而成。用于容纳电子结构元件120的凹陷部205可以设置在外端部160处。一个或多个间隔件210可以设置用于确保与电路板115的最小距离。可选地，用于电路板115的紧固元件的容纳部可以设置在间隔件210上。

可以在内端部155处设置一种结构，该结构可以有助于散热器135与冷却流体之间的改进的热传输。所示的结构包括多个隆起部215，这些隆起部沿轴向方向延伸并且也可以被称为“针翅”(pin fins)。隆起部215尤其可以立方形地或柱形地成形。隆起部215可以均匀布置成行和成列。每个第二行或列可以相对于相邻的行或列错开。该结构可以沿轴向方向基本上占据冷却通道125的内部空间的整个高度。该结构可以仅设置在以下区域中，在该区域中，冷却流体在冷却通道125中存在或流动。在所示的实施方式中，在散热器135上，在该横截面的两个侧面上设置有实心区段220。

在另一实施方式中，该结构还可以包括一个或多个回纹形的凹陷部，凹陷部可以引入到散热器135的材料中。

槽170优选具有垂直于纵向轴线150延伸的上和/或下边界表面。因此可以防止的是，置入槽170中的O形环在散热器135安置在冷却通道125上时从槽170滚出并且被卡住。

图3示出了系统100的另一视图。所示的载体140提供了用于容纳至多三个电气结构组件110的空间。在左侧示出的位置中，尚没有结构组件110安装在载体140中，从而散热器135的外端部160是可见的。可以在散热器135的两个侧面看到用于与结构组件110电连接的插接触点305。

在所示的中间位置中，结构组件110已经安置在载体140上。插接触点305的上端部穿过结构组件110的相对应的留空部凸出。在右边的位置中，安置在载体140上的结构组件110通过覆盖件310覆盖。例如，覆盖件310可以由板材制成，并且可以优选将结构组件110密闭地封闭在载体140上。

图4示出了第一方法400的流程图。在第一步骤405中，可以装备电路板115，其中，电子结构元件120安置在其电路板上。该步骤的结果是完成的结构组件11。结构组件110还可以完成地提供有安置在电路板115上的结构元件120。

在步骤410中，可以确定电路板上的结构元件120的高度。高度通常理解为电路板115与用于散热器135的结构元件120的贴靠面之间的距离。该距离优选垂直于电路板115的面对结构元件120的表面地被确定。当结构组件110安置在冷却系统105上时，该方向通常对应于纵向轴线150的方向。

在步骤415中，散热器135可以根据特定的高度轴向定位在冷却通道125上。在步骤415之前，散热器135可能已经安置在冷却通道125上，或者步骤410可以包括散热器135在冷却通道125上的安置。如果设置有密封器件165，那么其可以预先安置在散热器135或冷却通道125上。该定位可能需要作用到散热器135上的轴向力，该轴向力大于散热器135与冷却通道125之间的摩擦力。同时，定位精度应优于结构元件120在电路板115上的轴向位置的公差。在实施方式中，散热器135通过液压机轴向地定位在冷却通道125上。

散热器130在冷却通道125上的位置可以通过散热器135的外端部160处的贴靠面相对于冷却通道125在载体140上的贴靠面的高度来确定。该高度与电路板115上方的结构元件120的高度之和应该尽可能和电路板115在载体140上的贴靠面与冷却通道125在载体140上的贴靠面之间的轴向距离一样大。在调节位置之前，根据该关系以计算方式确定散热器135在冷却通道125上的期望的轴向位置。在实施方式中可以考虑TIM，其可以以预定的厚度设置在散热器与散热器135的外端部160之间。TIM的层厚应该被测定为，使得在结构组件110安置在冷却系统105上之后，TIM尽可能完全填充散热器135与结构元件120之间的空心空间，但不会进一步增加两者之间的距离。

在另外的步骤420中，结构组件110可以安置在冷却系统105上，反之亦然，以便得到系统100。安置可以在方法400的范围内进行，或者在稍后的时间点才执行。优选地，在特定的结构组件110与为此单独提供的冷却系统105相互安置之前，存在这两者之间的关联性。两个元件可以彼此分开地制造，并且例如只有在冷却系统105安置在车辆上之后才相互安装。

图5示出了第二方法500的流程图。在步骤505中，可以装备电路板115，如上面参考方法400的步骤405所描述的那样。在步骤510中，可以确定结构元件120相对于电路板115的高度，如上面参考方法400的步骤410所描述的那样。

与这些步骤并行地，在步骤515中可以将散热器135安置在冷却通道125上。在此，可以实现散热器135的轴向位置的任意的或无意识的分散，其优选对应于结构元件120相对于电路板115的轴向位置的变化。

在步骤525中，可以确定结构组件110与冷却系统105之间的关联性。为此，可以将在步骤510和520中确定的高度带入上述的关系中。冷却系统105与结构组件110之间的关联性也可以被称为配对。

如果要更换具有冷却系统105的系统100上的结构组件110，那么可以确定结构组件110，其中，结构元件120在电路板115上方的高度尽可能精确地对应于要更换的结构组件110上的高度。可以在结构组件110上说明结构元件120在电路板115上的特定的高度的指示。以相应的方式，可以说明冷却系统105上的冷却通道125上的散热器135的特定的高度的指示。该指示例如可以数字地、字母数字地或编码地实施，例如以光学的条形码或区域码(QR码)的形式实施。

附图标记列表

100 系统

105 冷却系统

110 结构组件

115 电路板

120 电子结构元件

125 冷却通道

130 留空部

135 散热器

140 载体

145 接头

150 纵向轴线

155 内端部

160 外端部

165 密封器件

170 槽

205 凹陷部

210 间隔件

215 隆起部

220 区段

305 插接触点

310 覆盖件

400 第一方法

405 装备电路板

410 确定结构组件的高度

415 轴向定位散热器

420 将结构组件安置在冷却系统上

500 第二方法

505 装备电路板

510 确定结构组件的高度

515 调整散热器

520 确定散热器的高度

525 确定配对

530 将结构组件安置在冷却系统上

Claims (12)

1.一种冷却系统(105)，所述冷却系统包括用于贴靠在安置在电路板(115)上的电子结构元件(120)上的散热器(135)；用于容纳冷却流体的冷却通道(125)；其中，所述冷却通道(125)具有用于容纳散热器(135)的留空部(130)；并且所述散热器(135)设置用于根据结构元件(120)与电路板(115)的距离安装到留空部(130)中，使得电路板(115)能够以预定的距离安置在冷却通道(125)上，从而使结构元件(120)贴靠在散热器(135)上。

2.根据权利要求1所述的冷却系统(105)，其中，所述散热器(135)设置用于力锁合地容纳在留空部(130)中。

3.根据权利要求2所述的冷却系统(105)，其中，所述散热器(135)设置用于压入、收缩或缩入到留空部(130)中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统(105)，其中，所述散热器(135)具有外端部(160)和内端部(155)，所述外端部设置用于贴靠在电子结构元件(120)上，所述内端部设置用于由冷却通道(125)中的冷却流体在周围冲刷。

5.根据权利要求4所述的冷却系统(105)，其中，所述散热器(135)在其内端部与外端部之间具有槽，用于在径向上在散热器(135)与冷却通道(125)之间的流体密封地贴靠的密封器件(165)容纳在所述槽中。

6.根据权利要求5所述的冷却系统(105)，其中，所述密封器件(165)构造为O形环。

7.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统(105)，其中，所述散热器(135)安置在冷却通道(125)的留空部(130)中，并且对散热器(135)的位置的指示安置在冷却系统(105)上。

8.一种散热器(135)，所述散热器具有外端部(160)和内端部(155)；其中，所述外端部(160)设置用于贴靠在电子结构元件(120)上，所述电子结构元件安置在电路板(115)上；其中，所述内端部(155)设置用于由冷却通道(125)中的冷却流体在周围冲刷；其中，所述散热器(135)设置用于，根据结构元件(120)与电路板(115)的距离放置在冷却通道(125)的留空部(130)中，使得电路板(115)能够以预定的距离安置在冷却通道(125)上。

9.根据权利要求8所述的散热器(135)，其中，在内端部(155)上构造有多个隆起部(215)，所述隆起部彼此平行地延伸。

10.一种用于容纳冷却流体的冷却通道(125)，其中，所述冷却通道(125)具有用于容纳散热器(135)的留空部(130)；其中，所述冷却通道(125)设置用于以预定的距离安置在电路板(115)上，在电路板上安置有电子结构元件(120)；其中，所述冷却通道(125)设置用于，以与结构元件(120)和电路板(115)之间的距离相关的距离容纳散热器(135)，从而使得散热器(135)贴靠在电子结构元件(120)上并且通过留空部(130)凸出。

11.一种用于提供冷却系统(105)的方法(400)，所述冷却系统包括散热器(135)和用于使冷却流体穿流过的冷却通道(125)；其中，所述冷却通道(125)具有用于容纳散热器(135)的留空部(130)；其中，所述散热器(135)具有内端部(155)和外端部(160)；其中，所述外端部(160)设置用于贴靠在电子结构元件(120)上，所述电子结构元件安置在电路板(115)上；其中，所述内端部(155)设置用于由冷却通道(125)中的冷却流体在周围冲刷；其中，所述方法包括以下步骤：确定(410)距离，所述电子结构元件(120)以所述距离中安置在电路板(115)；并且根据所确定的距离将散热器(135)定位(415)到冷却通道(125)的留空部(130)中，从而使得当电路板(115)以预定的距离安置在冷却通道(125)上时，散热器(135)的外端部(160)贴靠在电子结构元件(120)上。

12.一种用于提供冷却系统(105)的方法(500)，所述冷却系统包括散热器(135)和用于使冷却流体穿流过的冷却通道(125)；其中，所述冷却通道(125)具有用于容纳散热器(135)的留空部(130)；其中，所述散热器(135)具有内端部(155)和外端部(160)；其中，所述外端部(160)设置用于贴靠在电子结构元件(120)上，所述电子结构元件安置在电路板(115)上；其中，所述内端部(155)设置用于由冷却通道(125)中的冷却流体在周围冲刷；其中，所述方法包括以下步骤：提供(515)多个冷却通道(125)，所述冷却通道具有以不同的距离安装的散热器(135)；提供具有已安置的电子结构元件(120)的电路板(115)；并且根据电子结构元件(120)与电路板(115)的距离选择(525)所提供的冷却通道(125)中的一个冷却通道，使得电路板(115)能够以预定的距离安置在冷却通道(125)上，从而使得散热器(135)的外端部(160)贴靠在电子结构元件(120)上。

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