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Die Erfindung betrifft eine Wärmeableitvorrichtung zum Ableiten von im Betrieb einer elektronischen Komponente entstehender Betriebswärme, eine elektronische Vorrichtung zum Ansteuern einer Vielzahl von Kraftfahrzeugsteuervorgängen sowie ein Kraftfahrzeug, das die elektronische Vorrichtung aufweist.
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In zukünftigen Kraftfahrzeug-Computerarchitekturen werden eine Vielzahl von Funktionen, d.h. Kraftfahrzeugsteuervorgängen, in Hochleistungsrechner, so genannte High-Perfomance-Computer, integriert. In diesen Hochleistungsrechnern wird im Betrieb durch die große zu erbringende Leistung eine große Menge an Wärme erzeugt, die abgeleitet werden muss. Daher werden bei den zukünftigen Kraftfahrzeug-Computerarchitekturen die Hochleistungsrechner thermisch an eine Wärmesenke gekoppelt. Da diese Hochleistungsrechner sehr kostenintensiv sind, und es über ihre Lebensdauer möglicherweise mehrere Hardwareupdates geben wird ist es nötig, dass der Hochleistungsrechner derart in beispielsweise ein Kraftfahrzeug eingebaut wird, dass er einfach ausgetauscht werden kann.
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Es ist also nötig, dass einerseits ein effizienter thermischer Kontakt zwischen der Wärmesenke und dem Hochleistungsrechner hergestellt wird, andererseits der Hochleistungsrechner aber auch mehrfach ein- und ausbaubar sein muss.
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Aus anderen Anwendungsbereichen sind bereits verschiedene Lösungen zur Wärmeableitung von Rechenvorrichtungen bekannt.
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Beispielsweise gibt es spezielle Kontaktmaterialien, die zwischen Rechenvorrichtungen und Wärmesenken aus Metall angebracht werden können, und die die Möglichkeit bieten, die Rechenvorrichtungen ein- und wieder auszubauen. Bei den bekannten Kontaktmaterialien besteht jedoch das Problem, dass aufgrund der Rauigkeit und der fehlenden Koplanarität der Oberflächen der in Kontakt zu bringenden Elemente der thermische Kontakt nicht ausreichend ist, um die große entstehende Wärme bei Hochleistungsrechnern ausreichendabführen zu können. Um die Rauigkeit und Koplanarität jedoch zu verbessern, muss auf kostenintensives Material oder entsprechende, ebenfalls kostenintensive Produktionsprozesse zugegriffen werden.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zwischen die beiden thermisch zu kontaktierenden Elemente eine thermische Zwischenschicht aufzubringen, die an beiden Elementen klebt. Hier besteht jedoch die Problematik, dass ein solches klebendes thermisches Zwischenmaterial nicht einfach abgelöst werden kann, sondern dass nach einer Entfernung Teile des thermischen Zwischenmaterials an beiden Elementen kleben bleiben. Daher müsste das thermische Zwischenmaterial zunächst vollständig von beiden Elementen entfernt werden, um dann durch ein neues Zwischenmaterial ersetzt werden zu können. Dies bringt ebenfalls umfangreiche Prozessschritte mit sich und ist daher nicht wünschenswert.
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Eine weitere Möglichkeit, einen thermischen Kontakt zwischen zwei Elementen herzustellen, ist es, eine Thermopaste zu verwenden, die beide Elemente thermisch verbindet. Auch hier besteht das Problem, dass diese Thermopaste auf beiden Oberflächen der Elemente haften bleibt, wenn die Elemente voneinander getrennt werden. Zusätzlich besteht das Problem, dass Thermopaste grundsätzlich schlecht zu entfernen ist, so dass in einem Anwendungsfall, in dem die Elemente schlecht zugänglich in einem Kraftfahrzeugkörper untergebracht sind, es schwierig wird, die verbleibende Thermopaste zu entfernen, bevor ein neues Rechenelement, wie beispielsweise ein Hochleistungsrechner, montiert werden kann. Zusätzlich ist die Dosierung der Thermopaste problematisch, da bei einem zuviel Auftragen der Thermopaste diese in Bereiche eines Gesamtsystems kriechen kann, wo die Thermopaste sogar Beschädigungen auslösen könnte.
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Weiterhin ist es aus anderen Anwendungen bekannt, zwei Elemente über ein so genanntes Phasenwechselmaterial (Phase Chance Material, PCM) thermisch zu verbinden. Das PCM bleibt ebenfalls an beiden Oberflächen der getrennten Elemente haften, wenn diese auseinander gebaut sind. Auch hier ist es schwierig, das PCM vollständig zu entfernen, wenn die Elemente in einem Kraftfahrzeugkörper an einer schwer zugänglichen Stelle untergebracht sind. Ist das PCM an vereinzelten Stellen der Elemente zu dick aufgetragen, kann dies außerdem bei Erhitzung dazu führen, dass sich das PCM nicht richtig an die Oberflächen der zu kontaktierenden Elemente anpasst. Auch besteht, wie bereits bei der Thermopaste, das Problem, dass ein Überschuss an PCM in andere Bereiche des Gesamtsystems kriechen und dort zu Beschädigungen führen kann.
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Insgesamt haben die bisher bekannten Lösungen daher das Problem, dass der thermische Kontakt im Betrieb aufgrund von Rauigkeit und fehlenden Koplanarität der Oberflächen nicht gewährleistet werden kann und/oder dass bei einer Trennung der thermisch kontaktierten Elemente das verwendete Material an beiden Oberflächen haften bleibt.
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Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Wärmeableitvorrichtung zum Ableiten von im Betrieb einer elektronischen Komponente entstehender Betriebswärme vorzuschlagen, die rückstandsfrei auseinander gebaut werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einer Wärmeableitvorrichtung mit der Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst.
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Eine elektronische Vorrichtung zum Ansteuern einer Vielzahl von Kraftfahrzeugsteuervorgängen, die die Wärmeableitvorrichtung aufweist, sowie ein Kraftfahrzeug, das diese elektronische Vorrichtung aufweist, sind Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Wärmeableitvorrichtung zum Ableiten von im Betrieb einer elektronischen Komponente entstehender Betriebswärme weist eine Wärmesenke zum Aufnehmen von Wärmeenergie und eine flexible wärmeleitende Transferschicht zum Leiten der Betriebswärme von der elektronischen Komponente zu der Wärmesenke auf. Die Transferschicht ist zum sich Erstrecken entlang einer Dickenrichtung von einer Komponenetenaußenfläche der elektronischen Vorrichtung zu einer Wärmesenkenoberfläche der Wärmesenke ausgebildet. Eine die flexible wärmeleitende Transferschicht mitbildende Matrix ist aus einem Haftvermittler gebildet. Auf einer zu der Dickenrichtung senkrecht ausgebildeten Transferschichtoberfläche, die im Betrieb der Wärmesenkenoberfläche oder der Komponentenaußenfläche zugewandt anzuordnen ist, ist eine Trennschicht angeordnet, die einen Stoffschluss der Transferschicht mit der Wärmesenkenoberfläche oder der Komponentenaußenfläche verhindert.
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Die Wärmeableitvorrichtung ist demgemäß so ausgebildet, dass die flexible wärmeleitende Transferschicht auf einer Seite an der elektronischen Komponente über einen Stoffschluss haftet, da die die Transferschicht bildende Matrix aus einem Haftvermittler gebildet ist, aber auf der gegenüberliegenden Transferschichtoberfläche eine Trennschicht aufweist, so dass die Transferschicht gerade nicht über Stoffschluss an der Wärmesenke bzw. an der elektronischen Komponente haftet.
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In dem Fall, dass die elektronische Komponente, beispielsweise ein Hochleistungsrechner, austauschbar in ein Kraftfahrzeug eingebaut werden muss, kann nun diese Transferschicht mit der Trennschicht auf eine Hochleistungsrechneraußenfläche des Hochleistungsrechners aufgeklebt werden, während die Trennschicht und somit die nicht klebende Transferschichtoberfläche lediglich über einen Kraftschluss thermisch mit der Wärmesenke gekoppelt wird. Wird nun der Hochleistungsrechner aus dem Kraftfahrzeugkörper ausgebaut, sorgt die nicht klebende Trennschicht dafür, dass sich die Transferschicht leicht und rückstandsfrei von der Wärmesenke lösen lässt. Dadurch weist die Wärmesenke eine rückstandsfreie saubere Wärmesenkenoberfläche auf und ein neuer Hochleistungsrechner kann an dieser rückstandsfreien Wärmesenkenoberfläche kraftschlüssig angebracht werden.
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Umgekehrt ist es aber auch möglich, die Transferschicht mit der Trennschicht auf die Wärmesenkenoberfläche der Wärmesenke aufzukleben und dann die Transferschicht beim Ausbau des Hochleistungsrechners an der Wärmesenke zu belassen. Dadurch weist dann der Hochleistungsrechner eine rückstandsfreie saubere Hochleistungsrechneraußenfläche.
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Vorzugsweise ist die Transferschicht aus der Matrix mit darin eingebetteten wärmeleitfähigen Partikeln gebildet.
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Beispielsweise sind dabei die wärmeleitfähigen Partikel durch wärmeleitfähige Keramikpartikel gebildet, wobei insbesondere die Matrix aus einem Elastomer, insbesondere einem Acrylelastomer, gebildet ist.
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Die Matrix ist somit nicht nur aus einem wärmeleitfähigen flexiblen, sondern insbesondere aus einem elastischen Material gebildet und kann somit vorteilhaft Unebenheiten bzw. Unplanaritäten und Toleranzen ausgleichen.
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Vorzugsweise ist die Trennschicht aus einem Kunststofffilm gebildet.
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Dieser Kunststofffilm ist vorteilhaft nicht-klebend ausgebildet und wird auf die Transferschichtoberfläche aufgebracht, die später in Richtung zu der Wärmesenke bzw. der elektronischen Komponente eingebaut wird. Das Aufbringen des Kunststofffilms kann beispielsweise durch Auflaminieren erfolgen. Durch diesen Kunststofffilm wird die leichte Entfernung des Hochleistungsrechners von der Wärmesenke vorteilhaft ermöglicht.
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Durch den Gesamtaufbau der Transferschicht aus der flexiblen Matrix mit den darin eingebetteten wärmeleitfähigen Partikeln und der zusätzlichen Trennschicht aus dem Kunststofffilm entsteht im Betrieb des Hochleistungsrechners ein sehr guter thermischer Kontakt, da sich die Transferschicht auch rauen und nichtkoplanaren Oberflächen anpasst. Der Kunststoffilm ist dabei so dünn ausgebildet, dass er einem kraftschlüssigen sich Anschmiegen der Transferschicht an die Wärmesenke nicht im Weg steht. Weiter verbleibt die Transferschicht beim Auseinanderbauen von Wärmesenke und Hochleistungsrechner vollständig auf einer definierten Hochleistungsrechneraußenfläche und löst sich rückstandsfrei ab von der Wärmesenkenoberfläche bzw. umgekehrt.
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Die klebenden Eigenschaften der Transferschicht werden also nur auf einer Seite der Transferschicht genutzt, während die andere Seite mit einem nicht-klebenden Material beschichtet ist.
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Eine elektronische Vorrichtung zum Ansteuern einer Vielzahl von Kraftfahrzeugsteuervorgängen weist einen Hochleistungsrechner zur Verarbeitung einer Vielzahl von Signalen und die oben beschriebene Wärmeableitvorrichtung mit der Wärmesenke und der flexiblen wärmeleitenden Transferschicht auf. Die flexible wärmeleitende Transferschicht bildet einen Stoffschluss mit einer Hochleistungsrechneraußenfläche des Hochleistungsrechners, wobei die Trennschicht und die Wärmesenkenoberfläche der Wärmesenke kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Alternativ bildet die flexible wärmeleitende Transferschicht einen Stoffschluss mit einer Wärmesenkenoberfläche, wobei die Trennschicht und die Hochleistungsrechneraußenfläche des Hochleistungsrechners kraftschlüssig miteinander verbunden sind
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Vorzugsweise beträgt ein Gleitreibungskoeffizient µG zwischen der Trennschicht und der Wärmesenkenoberfläche bzw. zwischen der Trennschicht und der Hochleistungsrechneraußenfläche µG ≤ 0,3.
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Dadurch ist es möglich, den Hochleistungsrechner und die Wärmesenke auch einfach durch Aufeinanderschieben in im Wesentlichen lateraler Richtung thermisch miteinander zu koppeln.
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Vorzugsweise beträgt eine Adhäsionskraft FA zwischen der Trennschicht und der Wärmesenkenoberfläche bzw. zwischen der Trennschicht (26) und der Hochleistungsrechneraußenfläche FA ≤ 1 kPa. Die Adhäsionskraft FA definiert dabei die Kraft, mit der der Hochleistungsrechner bzw. die Hochleistungsrechneraußenfläche und die Wärmesenke aneinander haften, und die überwunden werden muss, um die beiden Elemente voneinander zu trennen.
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Ein einfacher vertikaler Ein- und Ausbau wird erleichtert, wenn sich die Adhäsionskraft FA in einem Bereich von FA ≤ 1 kPa bewegt.
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Ein Kraftfahrzeug weist einen wärmeleitenden Kraftfahrzeugkörper und eine elektronische Vorrichtung wie oben beschrieben mit dem Hochleistungsrechner und der Wärmeableitvorrichtung auf. Die Wärmesenke der Wärmeableitvorrichtung ist dabei wärmeleitend mit dem Kraftfahrzeugkörper gekoppelt, so dass eine Ableitung einer im Betrieb des Hochleistungsrechners entstehenden Wärme über den Kraftfahrzeugkörper in eine Umgebung außerhalb des Kraftfahrzeuges erfolgt.
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Unter dem Begriff „Kraftfahrzeugkörper“ kann neben beispielsweise einem Chassisaufbau eines Kraftfahrzeugs auch ein Kühlkreislauf verstanden werden, beispielsweise ein wasserführender Kühlkreislauf, der insbesondere auch thermisch mit einem Wärmetauscher gekoppelt sein kann.
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Über den Kraftfahrzeugkörper ist es damit insgesamt möglich, Wärme in die Umgebung abzuführen, wodurch auch weitere elektronische Komponenten in dem Kraftfahrzeug gekühlt werden können.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine schematische Schnittansicht durch eine flexible wärmeleitende Transferschicht;
- 2 eine schematische Schnittansicht durch eine elektronische Vorrichtung, bei der die Transferschicht aus 1 zwischen einer Wärmesenke und einem Hochleistungsrechner angeordnet ist;
- 3 eine schematische Schnittansicht durch eine Kraftfahrzeug, bei dem die elektronische Vorrichtung aus 2 über die Wärmesenke wärmeleitend mit einem Kraftfahrzeugkörper des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist;
- 4 schematische Darstellungen, bei denen a) der Einbau und b) der Ausbau des Hochleistungsrechners in den Kraftfahrzeugkörper aus 3 durch im Wesentlichen laterales Ein- bzw. Ausschieben dargestellt sind; und
- 5 schematische Darstellungen, bei denen a) der Einbau und b) der Ausbau des Hochleistungsrechners in den Kraftfahrzeugkörper aus 3 durch vertikales in und außer Kontaktbringen dargestellt sind.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer flexiblen wärmeleitenden Transferschicht 10. Die Transferschicht 10 ist aus einer Matrix 12 gebildet, in die wärmeleitfähige Partikel 14 eingebettet sind. Damit die Transferschicht 10 flexibel und elastisch ist, ist die Matrix 12 insbesondere aus einem Elastomer 16, beispielsweise Acrylelastomer, gebildet. Die wärmeleitfähigen Partikel 14 sind vorzugsweise aus wärmeleitfähigen Keramikpartikeln 18 gebildet. Die Matrix 12 ist aus einem Elastomer 16 gebildet, das einen Haftvermittler 20 bildet. Das bedeutet, die Transferschicht 10 weist auf Basis der Eigenschaften der Matrix 12 klebende Eigenschaften auf.
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Wird nun diese Transferschicht 10 an eine Oberfläche angebracht, haftet die Transferschicht 10 aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Matrix 12 stoffschlüssig an dieser Oberfläche.
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Senkrecht zu einer Dickenrichtung 22, in die sich die Transferschicht 10 erstreckt, bildet die Transferschicht 10 eine Transferschichtoberfläche 24, auf der eine Trennschicht 26 in Form eines Kunststofffilms 28 angeordnet ist. Dieser Kunststofffilm 28 hat derartige Eigenschaften, dass ein Stoffschluss gerade verhindert wird. Der Kunststofffilm 28 ist also nicht klebend ausgebildet.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine elektronische Vorrichtung 30, bei der die in 1 gezeigte Transferschicht 10 zwischen einer Wärmesenke 32 und einem Hochleistungsrechner 36 angeordnet ist. Dieser Aufbau dient dazu, Betriebswärme Q, die im Betrieb des Hochleistungsrechners 36 entsteht, von dem Hochleistungsrechner 36 abzuleiten, um diesen somit vor Überhitzung zu schützen.
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Die Transferschicht 10 und die Wärmesenke 32 bilden daher eine Wärmeableitvorrichtung 34 zum Ableiten dieser Betriebswärme Q von dem Hochleistungsrechner 36 weg.
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Der Hochleistungsrechner 36 in 2 verarbeitet eine Vielzahl von Signalen und erzeugt dabei eine große Menge an Betriebswärme Q.
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Die Transferschicht 10 ist koplanar zu einer Wärmesenkenoberfläche 38 der Wärmesenke 32 angeordnet und befindet sich mit der Transferschichtoberfläche 24 in Kontakt mit der Wärmesenkenoberfläche 38, auf der die Trennschicht 26 angebracht ist. D. h., die Wärmesenke 32 und die Transferschicht 10 sind kraftschlüssig miteinander verbunden.
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In Dickenrichtung 22 auf der gegenüberliegenden Transferschichtoberfläche 24, die dem Hochleistungsrechner 36 zugewandt ist, ist dagegen die Transferschicht 10 stoffschlüssig, also klebend, mit einer Hochleistungsrechneraußenfläche 40 des Hochleistungsrechners 36 verbunden. Es besteht also ein Stoffschluss zwischen der Transferschicht 10 und dem Hochleistungsrechner 36.
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Der Aufbau kann - hier in den Figuren nicht gezeigt - auch alternativ derart erfolgen, dass der Stoffschluss zwischen der Transferschicht 10 und der Wärmesenke 32 und der Kraftschluss zwischen der Transferschicht 10 und dem Hochleistungsrechner 36 gebildet wird. Im Folgenden wird weiterhin auf die zuerst beschriebene Alternative (Stoffschluss zwischen Transferschicht 10 und Hochleistungsrechner 36) Bezug genommen, es soll dabei aber auch diese zweite Alternative (Stoffschluss zwischen Transferschicht 10 und Wärmesenke 32) verstanden werden.
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Muss nun der Hochleistungsrechner 36 aus der elektronischen Vorrichtung 30 ausgebaut werden, kann die Wärmesenke 32 ganz einfach in der elektronischen Vorrichtung 30 verbleiben, während der Hochleistungsrechner 36 mit der daran klebenden Transferschicht 10 einfach aus der elektronischen Vorrichtung 30 entfernt wird. Auf der Wärmesenkenoberfläche 38 verbleiben keinerlei Rückstände in Form von Matrixmaterial der Transferschicht 10, da die Trennschicht 26 ein Kleben der Transferschicht 10 an der Wärmesenkenoberfläche 38 verhindert. Die Transferschicht 10 verbleibt vollständig inklusive der Trennschicht 26 an dem Hochleistungsrechner 36.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht durch ein Kraftfahrzeug 42, in dem die elektronische Vorrichtung 30 mit dem Hochleistungsrechner 36 und der Wärmeableitvorrichtung 34 eingebaut ist, wobei die Wärmesenke 32 der Wärmeableitvorrichtung 34 wärmeleitend mit einem Kraftfahrzeugkörper 44 des Kraftfahrzeuges 42 gekoppelt ist. Im Betrieb des Hochleistungsrechners 36 entsteht Betriebswärme Q, die dann über die Transferschicht 10, die Wärmesenke 32 und den Kraftfahrzeugkörper 44 in eine Umgebung 46 außerhalb des Kraftfahrzeugs 42 abgeleitet werden kann. So kann eine einfache Kühlung des Hochleistungsrechners 36 ermöglicht werden. Es ist alternativ oder zusätzlich jedoch auch möglich, eine Kühlung des Hochleistungsrechners 36 über eine im Kraftfahrzeugkörper 44 verlaufende Wasserkühlung zu implementieren.
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Da die Wärmeableitvorrichtung 34 so wie oben beschrieben aufgebaut ist, kann der Hochleistungsrechner 36 einfach aus dem Kraftfahrzeugkörper 44 entfernt werden, selbst wenn die elektronische Vorrichtung 30 an einer sehr unzugänglichen Stelle innerhalb des Kraftfahrzeuges 42 angeordnet ist. Denn der Hochleistungsrechner 36 kann mit der daran klebenden Transferschicht 10 einfach rückstandsfrei von der Wärmesenke 32 entfernt werden.
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4 und 5 zeigen dazu Beispiele, wie Ein- und Ausbau des Hochleistungsrechners 36 in die elektronische Vorrichtung 30 beispielsweise in 3 erfolgen kann.
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4 zeigt dabei im Bild a) den Einbau des Hochleistungsrechners 36 in die elektronische Vorrichtung 30, während Bild b) den Ausbau des Hochleistungsrechners 36 aus der elektronischen Vorrichtung 30 darstellt. Bei der Ein- und Ausbausituation in 4 wird der Hochleistungsrechner 36 durch im Wesentlichen laterales bzw. schräges Ein- und Ausschieben des Hochleistungsrechners 36 relativ zu der Wärmesenke 32 ein- und ausgebaut. Um einen solchen Ein- bzw. Ausbau zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn ein Gleitreibungskoeffizient µG zwischen der Trennschicht 26 und der Wärmesenkenoberfläche 38 µG ≤ 0,3 beträgt.
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5 zeigt eine weitere Möglichkeit eines Ein- und Ausbaus des Hochleistungsrechners 36 aus der elektronischen Vorrichtung 30. Hierbei wird der Hochleistungsrechner 36 vertikal in Kontakt mit der Wärmesenke 32 gebracht. Dazu wird in Bild a) beim Einbau des Hochleistungsrechners 36 zunächst beabstandet unterhalb der Wärmesenke 32 angebracht und dann nach oben gedrückt, so dass die Wärmesenke 32 in Kraftschluss mit der Transferschicht 10 kommt. Beim Ausbau in Bild b) wird dann der Kraftschluss zwischen Wärmesenke 32 und Hochleistungsrechner 36 wieder durch vertikale Trennung der beiden Elemente voneinander gelöst, diese Elemente somit voneinander beabstandet, um so den Hochleistungsrechner 36 aus der elektronischen Vorrichtung 30 entfernen zu können. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn eine Adhäsionskraft FA zwischen der Trennschicht 26 und der Wärmesenkenoberfläche 38 FA ≤ 1 kPa beträgt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Transferschicht
- 12
- Matrix
- 14
- wärmeleitfähige Partikel
- 16
- Elastomer
- 18
- Keramikpartikel
- 20
- Haftvermittler
- 22
- Dickenrichtung
- 24
- Transferschichtoberfläche
- 26
- Trennschicht
- 28
- Kunststofffilm
- 30
- elektronische Vorrichtung
- 32
- Wärmesenke
- 34
- Wärmeableitvorrichtung
- 36
- Hochleistungsrechner
- 38
- Wärmesenkenoberfläche
- 40
- Hochleistungsrechneraußenfläche
- 42
- Kraftfahrzeug
- 44
- Kraftfahrzeugkörper
- 46
- Umgebung
- FA
- Adhäsionskraft
- µG
- Gleitreibungskoeffizient
- Q
- Betriebswärme
