DE102019135060A1

DE102019135060A1 - Mehrzonenkühlkörper für Platinen

Info

Publication number: DE102019135060A1
Application number: DE102019135060.3A
Authority: DE
Inventors: Robert Breicher; Van Son Nguyen; Johannes Henkel
Original assignee: Dspace GmbH; Dspace Digital Signal Processing and Control Engineering GmbH
Current assignee: Dspace GmbH
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-24
Also published as: CN113009992A; CN113009992B; US11310903B2; US20210195727A1

Abstract

Kühlkörper mit einer ersten Teilfläche und einer zweiten Teilfläche, ausgestaltet zur flächigen Auflage auf einer mit elektronischen Komponenten bestückten Platine. Zwischen der ersten Teilfläche und der zweiten Teilfläche verläuft eine thermische Isolierung, und eine die thermische Isolierung überspannende starre mechanische Verbinung verbindet die erste Teilfläche mit der zweiten Teilfläche. Der Kühlkörper ermöglicht dadurch eine Zuteilung von Teilflächen an elektronische Komponenten auf der Platine und trägt zur mechanischen Stabilisierung der Platine bei.

Description

Die Erfindung betrifft Thermomanagement von Computersystemen.
Auf dem Markt finden sich zahlreiche Computersysteme, die für den Au-ßeneinsatz in Fahrzeugen ausgestaltet sind, beispielsweise die DRIVE AGX Platform von NVIDIA, die „Rugged Embedded Computer“-Reihe der Crystal Group und die Autera AutoBox von dSPACE. Typische Anforderungen an derartige Computersysteme sind Kompaktheit, um sie in beengten Verhältnissen anwenden zu können, sowie Robustheit und Rüttelfestigkeit. Insbesondere wegen der gegenwärtigen Bemühungen zur Entwicklung hochautomatisierter Fahrzeuge besteht eine Nachfrage nach derartigen für den Außeneinsatz konzipierten Entwicklungssystemen, die zudem mit hoher Rechenleistung ausgestattet sind und deshalb eine leistungsstarke Kühlung benötigen. Letztere Anforderung steht aus den nachfolgend erläuterten Gründen in Konflikt mit den vorherig genannten Anforderungen an Kompaktheit, Robustheit und Rüttelfestigkeit.
Aus dem Stand der Technik sind passive Kühlkörper zur flächigen Auflage auf mit elektronischen Komponenten bestückten Platinen in Computersystemen bekannt, beispielsweise das Modell ICY BOX IB-M2H2-100 von RaidSonic. Derartige Kühlkörper nehmen die Abwärme der elektronischen Komponenten auf, um sie an die Umgebungsluft abzuführen. Die Kühlkörper können in einem Luftstrom für den Abtransport der Abwärme angeordnet sein. Im allgemeinen sind auf einer Platine unterschiedliche elektronische Komponenten mit unterschiedlicher Abwärmeleistung und unterschiedlicher Temperaturtoleranz verbaut. Die Anbringung eines Kühlkörpers kann deshalb sogar kontraproduktiv sein, weil der Kühlkörper Abwärme von leistungsstarken Komponenten zu Komponenten mit geringer Temperaturtoleranz transportiert, aus Sicht letzterer also als Heizung wirkt. Aus dem Stand der Technik bekannte Maßnahmen gegen diesen Effekt beruhen auf einer Verbesserung der Gesamtkühlleistung, beispielsweise durch Verwendung eines größeren Kühlkörpers, eines leistungsstarken Gebläses zur Erzeugung eines stärkeren Luftstroms oder eines aktiven Kühlkörpers, der mit einer Wärmepumpe oder einem Piezoelement ausgestattet ist. All diese Maßnahmen erhöhen aber den Platzbedarf des Kühlungssystems und gehen damit zu Lasten der Kompaktheit des Computersystems.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, den Platzbedarf leistungsstarker, für den Außeneinsatz konzipierter Computersysteme zu verringern.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kühlkörper zur flächigen Auflage auf einer mit elektronischen Komponenten bestückten Platine vorgeschlagen, der mehrere thermisch voneinander isolierte Teilflächen aufweist, wobei jede Teilfläche angeordnet ist, um ausschließlich Abwärme von einer Untermenge der auf der Platine angeordneten elektronischen Komponenten aufzunehmen. Der Kühlkörper umfasst demnach zumindest eine erste Teilfläche zur Aufnahme von Abwärme von einer ersten Anzahl elektronischer Komponenten der Platine und eine zweite Teilfläche zur Aufnahme von Abwärme von einer zweiten Anzahl elektronischer Komponenten der Platine. Zwischen der ersten und der zweiten Teilfläche ist eine thermische Isolierung angeordnet, die in ihrer Gesamtheit eine gegenüber den beiden Teilflächen wesentlich verringerte Wärmeleitfähigkeit aufweist und dadurch den Wärmeaustausch zwischen der ersten Teilfläche und der zweiten Teilfläche wesentlich einschränkt. Der Kühlkörper umfasst weiterhin eine die thermische Isolierung überspannende starre mechanische Verbindung der ersten Teilfläche mit der zweiten Teilfläche.
Unter einer starren mechanischen Verbindung ist zu verstehen, dass die mechanische Verbindung weitgehend steif und spielfrei ausgestaltet ist und dadurch auch unter Einwirkung eines starken, aber im bestimmungsgemäßen Einsatz der Platine zu erwartenden Biegemoments auf den Kühlkörper die erste Teilfläche und die zweite Teilfläche in einer vorgegebenen relativen Ruheposition zueinander hält.
Ein gemäß der Erfindung ausgestalteter Kühlkörper ermöglicht es, einzelnen Komponenten auf der Platine oder Gruppen von Komponenten exklusiv Anteile an der Gesamtfläche des Kühlkörpers zuzuteilen und auf diese Weise besonders temperaturempfindliche Komponenten besser zu kühlen oder zu verhindern, dass besonders temperaturempfindliche Komponenten durch Wärmeleitung des Kühlkörpers von anderen Komponenten auf der Platine geheizt werden. Beispielsweise können die Teilbereiche räumlich so angeordnet und dimensioniert sein, dass die erste Teilfläche Abwärme von einer ersten elektronischen Komponente auf einer gegebenen Platine aufnimmt und die zweite Teilfläche Abwärme von einer zweiten elektronischen Komponente auf derselben Platine aufnimmt. Wenn die Temperaturtoleranz der ersten Komponente höher ist als die der zweiten Komponente, dann kann der ersten Komponente durch geeignete Dimensionierung des ersten Teilbereichs ein - gemessen an der Abwärmeleistung der ersten Komponente - relativ kleiner Anteil an der Gesamtfläche des Kühlkörpers zugeordnet sein, zugunsten der zweiten Komponente, der zur effektiveren Kühlung ein relativ großer Teilbereich der Gesamtfläche zugeordnet werden kann. Im laufenden Betrieb der Platine und nach Erreichen eines thermischen Gleichgewichts ist dann die Temperatur der ersten Teilfläche höher als die der zweiten Teilfläche, im Interesse einer effektiven Flächenausnutzung bevorzugt knapp unterhalb der höchsten zu tolerierenden Temperatur.
Durch die mechanischen Verbindungen bleibt dem erfindungsgemäßen Kühlkörper die stabilisierende, aussteifende Wirkung auf die Platine erhalten, wie sie aus dem Stand der Technik bekannte Kühlkörper gemäß vorheriger Schilderung aufweisen. Die im vorigen Absatz erläuterte technische Wirkung ließe sich natürlich auch durch Auflage mehrerer kleinerer auf der Platine aufgelegter Kühlkörper erreichen. Von der Anmelderin durchgeführte Rütteltests im Zuge der Entwicklung der Autera AutoBox führten jedoch regelmäßig zu Beschädigungen derartig mit Kühlkörpern bestückter Platinen, während mit erfindungsgemäßen Kühlkörpern bestückte Platinen eine hinreichende Stabilität aufwiesen.
Die thermische Isolierung ist vorteilhaft als Lücke in dem Kühlkörper ausgestaltet, die zwischen dem ersten Teilbereich und dem zweiten Teilbereich verläuft und somit einen zwischen beiden Teilbereichen angeordneten Luftspalt bildet. Diese Ausgestaltung ist einfach zu bauen und verwirklicht gleichzeitig eine gute thermische Isolierung, bei der ein Wärmeaustausch zwischen beiden Teilbereichen im wesentlichen nur über die mechanischen Verbindungen möglich ist.
Zur Verhinderung von Bruchstellen des Kühlkörpers ist es vorteilhaft, dass die mechanische Verbindung nahtlos in die erste Teilfläche und die zweite Teilfläche übergeht, insbesondere derart, dass auf mikroskopischer Ebene kein Übergang der mechanischen Verbindung zu der ersten Teilfläche oder der zweiten Teilfläche erkennbar ist. Besonders vorteilhaft ist der Kühlkörper mit der ersten Teilfläche, der zweiten Teilfläche und der mechanischen Verbindung als monolithischer metallischer Körper ausgebildet, der beispielsweise aus einem Stück gegossen oder in seiner Gesamtheit aus einem einzigen Metallstück ausgefräst ist. Die mechanische Verbindung kann beispielsweise als eine Anzahl metallischer Brücken zwischen der ersten Teilfläche und der zweiten Teilfläche ausgestaltet sein.
Zur Verbesserung der thermischen Isolierung kann die mechanische Verbindung hinsichtlich ihrer Formgebung ausgestaltet sein, um einen den Kühlkörper kühlenden Luftstrom zu verwirbeln. An der mechanischen Verbindung entstehende Luftwirbel bewirken einen Transport entfernterer und deshalb kühlerer Luftschichten zur Oberfläche der mechanischen Verbindung und damit eine verbesserte Entnahme von Wärme aus der mechanischen Verbindung, bevor die Wärme in eine Teilfläche abwandern kann, was effektiv einer Herabsetzung der thermischen Leitfähigkeit der mechanischen Verbindung entspricht. Die mechanische Verbindung kann zu diesem Zweck Ausbuchtungen umfassen, die aus der Kühlfläche herausragen und einen hohen aerodynamischen Widerstandsbeiwert aufweisen, um die Entstehung von Wirbeln zu begünstigen.
Selbstverständlich kann ein erfindungsgemäßer Kühlkörper neben der ersten Teilfläche und der zweiten Teilfläche auch weitere Teilflächen umfassen, die jeweils durch thermische Isolierungen von allen anderen Teilflächen des Kühlkörpers thermisch isoliert sind und jeweils mittels einer eine thermische Isolierung überspannenden starren mechanischen Verbindung mit zumindest einer anderen Teilfläche des Kühlkörpers verbunden sind.
Die Zeichnung zeigt zur näheren Erläuterung der Erfindung eine perspektivische Ansicht eins erfindungsgemäßen Kühlkörpers in einer vorteilhaften, aber beispielhaften Ausgestaltung.
In der 1 ist ein auf einer Platine 3 flächig aufliegender Kühlkörper mit einer ersten Teilfläche 1 und einer zweiten Teilfläche 2 abgebildet. Zwischen der ersten Teilfläche 1 und der zweiten Teilfläche 2 verläuft eine die Platine auf voller Breite querende Lücke 4, die einen Luftspalt zwischen der ersten Teilfläche 1 und der zweiten Teilfläche 2 ausbildet und somit die erste Teilfläche 1 thermisch von der zweiten Teilfläche 2 isoliert. Vier metallische Brücken 5 überspannen die Lücke 4 und bilden eine mechanische Verbindung der ersten Teilfläche 1 mit der zweiten Teilfläche 2 aus.
Auf der Platine 3 sind, nicht sichtbar unter dem Kühlkörper, elektronische Komponenten angeordnet. Eine erste elektronische Komponente, beispielsweise ein Flashcontroller, ist unter der ersten Teilfläche 1 angeordnet, eine zweite elektronische Komponente, beispielsweise ein Flash-Speicherchip, unter der zweiten Teilfläche 2. Der Flash-Controller ist bis zu einer Betriebstemperatur von 125°C ordnungsgemäß betreibbar. Die Temperaturtoleranz des Flash-Speicherchips liegt dagegen nur bei 70°C. Die Abwärmeleistung des Flash-Controllers und des Flash-Speicherchips ist etwa gleich.
Wie in der Abbildung zu sehen, ist die zweite Teilfläche 2 größer dimensioniert als die erste Teilfläche 1. Dem Flash-Speicherchip ist also seiner geringeren Temperaturtoleranz wegen ein größerer Anteil an der Gesamtfläche des Kühlkörpers zugeteilt als dem Flash-Controller. Infolgedessen erreicht nach Inbetriebnahme der Platine die erste Teilfläche 1 im thermischen Gleichgewicht eine höhere Temperatur als die zweite Teilfläche 2. Die erste Teilfläche 1 ist so dimensioniert, dass die Temperatur der ersten Teilfläche im thermischen Gleichgewicht nach Inbetriebnahme der Platine knapp unterhalb der Temperaturtoleranz des Flash-Controllers, also knapp unterhalb von 125°C, liegt, um dem temperaturempfindlicheren Flash-Speicherchip einen möglichst hohen Anteil der Gesamtfläche des Kühlkörpers zuzuteilen.
Bei Verwendung eines herkömmlichen Kühlkörpers ohne thermische Isolierung 4 wäre dem Flash-Speicherchip effektiv nur die Hälfte der Gesamtfläche des Kühlkörpers zugeteilt. Der gesamte Kühlkörper müsste dann größer dimensioniert sein, um den Flash-Speicherchip hinreichend zu kühlen, was Abstriche in der Kompaktheit des Computersystems, in dem die Platine 3 verbaut ist, nötig machen würde.
Der Kühlkörper mit der ersten Teilfläche 1, der zweiten Teilfläche 2 und den metallischen Brücken 5 ist ein monolithischer, vollständig metallischer Körper, der aus einem einzigen Stück Metall ausgefräst ist. Die Brücken 5 gehen dadurch nahtlos sowohl in die erste Teilfläche 1 als auch in die zweite Teilfläche 2 über. Auf mikroskopischer Ebene ist kein Übergang zwischen den Brücken 5 und der ersten Teilfläche 1 oder der zweiten Teilfläche 2 erkennbar. Die Brücken 5 bilden dadurch eine starre mechanische Verbindung aus. Die mechanische Steifigkeit und Spielfreiheit des Kühlkörpers, und damit auch seine stabilisierende Wirkung auf die Platine 3, entsprechen dadurch etwa denen eines herkömmlichen, zur flächigen Auflage auf einer Platine ausgestalteten Kühlkörpers ohne thermische Isolierung 4.
Die Platine 3 ist in einem den Kühlkörper kühlenden Luftstrom angeordnet. Die thermische Isolierung 4 ist natürlich nicht perfekt. Durch Wärmestrahlung, über die Brücken 5 und möglicherweise, je nach Richtung des Luftstroms, Transport über die Luft tauschen die erste Teilfläche 1 und die zweite Teilfläche 2 thermische Energie aus. Zur Verringerung des Wärmeaustauschs durch Wärmeleitung über die Brücken 5 sind die Brücken 5 ausgestaltet, um den Luftstrom zu verwirbeln. Wie in der Abbildung zu sehen, ragen die Brücken 5 aus der Fläche des Kühlkörpers heraus und weisen viele rechtwinklige Kanten auf, um die Bildung von Wirbeln an den Brücken 5 zu begünstigen und dadurch die Kühlwirkung des Luftstroms an den Brücken 5 zu verbessern. Die aus der Fläche herausragende Bauweise der Brücken 5 erhöht zudem das Volumen und folglich die Wärmekapazität der Brücken 5. Insgesamt bewirkt diese Bauweise, dass sich die von einer Brücke 5 aus der ersten Teilfläche 1 aufgenommene Wärme zunächst in der jeweiligen Brücke 5 verteilt und, bevor die zweite Teilfläche 2 sie aufnehmen kann, zu einem großen Teil von dem verwirbelten Luftstrom aufgenommen wird. Auf diese Weise verbessert die Bauweise der Brücken 5 die thermische Isolationswirkung der thermischen Isolierung 4.
Zur Verbesserung der Kühlleistung sind auf dem Kühlkörper weitere Verwirbelungselemente 6 und Kühlrippen 7 angeordnet.

Claims

Kühlkörper zur flächigen Auflage auf einer mit elektronischen Komponenten bestückten Platine (3), umfassend: eine erste Teilfläche (1) zur Aufnahme von Abwärme von einer ersten Anzahl elektronischer Komponenten der Platine (3), eine zweite Teilfläche (2) zur Aufnahme von Abwärme von einer zweiten Anzahl elektronischer Komponenten der Platine (3), eine thermische Isolierung (4) der ersten Teilfläche (1) von der zweiten Teilfläche (2), und eine die thermische Isolierung (4) überspannende starre mechanische Verbindung (5) der ersten Teilfläche (1) mit der der zweiten Teilfläche (2).
Kühlkörper gemäß Anspruch 1, dessen thermische Isolierung (4) als zwischen der ersten Teilfläche und der zweiten Teilfläche verlaufende Lücke in dem Kühlkörper ausgestaltet ist.
Kühlkörper gemäß Anspruch 1 oder 2, dessen mechanische Verbindung (5) nahtlos in die erste Teilfläche (1) und in die zweite Teilfläche (2) übergeht.
Kühlkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, der als monolithischer metallischer Körper ausgestaltet ist.
Kühlkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dessen mechanische Verbindung (5) ausgestaltet ist, um zur Verbesserung der thermischen Isolationswirkung der mechanischen Verbindungen einen den Kühlkörper kühlenden Luftstrom zu verwirbeln.
Platine (3), die mit einer ersten elektronischen Komponente und einer zweiten elektronischen Komponente bestückt ist, mit einem flächig auf der Platine aufliegenden Kühlkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dessen erste Teilfläche (1) räumlich angeordnet ist, um Abwärme von der ersten elektronischen Komponente aufzunehmen, und dessen zweite Teilfläche (2) räumlich angeordnet ist, um Abwärme von der zweiten elektronischen Komponente aufzunehmen.
Platine (3) gemäß Anspruch 6, deren Kühlkörper durch Dimensionierung der ersten Teilfläche (1) und der zweiten Teilfläche (2) derart ausgestaltet ist, dass im thermischen Gleichgewicht nach Inbetriebnahme der Platine (3) die Temperatur der ersten Teilfläche (1) höher als die Temperatur der zweiten Teilfläche (2) ist.