冷却装置及其制造方法与流程

1.本公开涉及一种用于冷却安装在电路板上的多个电子部件的冷却装置及其制造方法。本公开特别涉及用于冷却汽车应用的电子控制单元的冷板，并且最特别地涉及多域控制器(mdc)。


背景技术：

2.一些电子部件在使用期间变热，这可能随后损害它们的功能或导致部件损坏。因此，通常将冷却装置装配到电子电路系统以将其工作温度维持在可接受的容限内。对于特别高需求的应用，由于液体冷却系统的高冷却效率，经常使用液体冷却系统。常规的液体冷却系统通常具有冷板，该冷板是通常具有平坦金属主体的装置，该平坦金属主体具有冷却通道或冷却管的内部回路，冷却剂流体可循环穿过该冷却通道或冷却管。在使用中，冷板抵靠电子部件装配，且随着部件变热，热量通过主体和冷却管被传递到冷却剂中，热量从冷却剂被输送远离回路。
3.尽管印刷电路板(pcb)上的一些电子部件在使用中会变得非常热，但是其它部件不会。例如，芯片上系统(soc)可以被认为是有源部件，因为它通常在工作时产生大量废热并且需要主动冷却。相反，诸如二极管或电容器的部件可以被认为是无源部件，因为它们通常将保持相对较冷。同时，有源部件通常在几何形状上比周围的较冷的无源部件低(即，更平坦)。因此，当平坦的冷板装配在pcb上时，板通常邻接较高的无源部件的顶部，但是在板和较低的有源部件的顶部之间留有间隙。由于这些气隙将以其它方式提供对来自冷板旨在冷却的那个部件的热传递的屏障，因此需要在这些间隙中装配所谓的“基座”。这些基座通常由与冷板的主体相同的金属形成，并且提供了导热材料柱，以用于建立从有源部件到冷板的热路径。
4.上述常规布置的问题在于，不管基座材料的导热性，热路径的长度指的是基座仍然呈现显著的热阻。基座由此提供了有源部件和冷却剂之间的次优热连接。
5.上述问题由于确保基座与有源部件之间的良好热接触的挑战而进一步加剧。特别地，部件和基座的相对面之间的气隙可显著地降低热传导。这些间隙可以是从由于表面粗糙度而形成的非常小的孔直到由损害组件的尺寸稳定性的生产变化引起的较大间隙的任何间隙。例如，pcb可能不是完全平坦的，导致一些部件比其它部件被安装成更远离冷板。为了减轻这种情况，通常施加一层热界面材料(tim)以填充这些间隙，从而改进部件之间的接合处的配合。然而，由于可能出现较大的间隙，通常施加相对厚的一层tim以确保有足够的材料来完全填充间隙。不幸的是，这损害了整体导热性，因为尽管tim是比空气更好的热导体，但它不如在热的有源部件和冷却结构之间提供非常紧密的连接有效。
6.us 20050128705公开了一种试图解决上述问题中的一些问题的冷却组件。特别地，us 20050128705教导了一种模块化装置，其中，不是将冷板设置为单个主体，而是设置了多个更小的冷板单元，每个冷板单元可独立地附接到单独的电子模块。然后，冷板单元通过柔性管彼此连接以建立冷却流体回路。尽管该装置允许每个电子模块和其相应的冷板单
元之间的更紧密的配合，但它引起新的问题。例如，制造和组装成本大大增加，因为每个冷板单元必须被单独制造并固定到其相应的电子模块。此外，冷板单元和管道之间的大量流体连接也增加了泄漏风险。这使得这种装置特别不适合于汽车应用，在汽车应用中，苛刻的振动条件需要非常高的防漏性。
7.因此，仍然需要一种用于冷却安装到电路板的部件的改进的冷却装置。


技术实现要素：

8.本公开涉及一种冷却装置和用于制造冷却装置的方法，该冷却装置用于冷却安装在电路板上的多个电子部件。冷却装置可以用于与安装到印刷电路板的电子控制单元或多域控制器一起使用。
9.根据第一方面，提供了一种用于冷却安装在电路板上的电子部件的冷却装置，该装置包括：中空主体，所述中空主体限定用于使冷却剂流体循环穿过其中的冷却剂输送回路，所述中空主体包括由管道区域链接的多个扁平区域，其中所述扁平区域和管道区域形成为所述主体的连续区域，并且其中每个扁平区域被构造成当所述主体被固定成与所述电路板相邻时与一个或多个电子部件对准，以用于将热量从相应的一个或多个电子部件传递走。
10.这样，主体的扁平区域提供了大的热吸收表面，所述大的热吸收表面可以直接定位成与散热的有源电子部件相邻。这使得冷却剂与在工作期间变热的那些电子部件变得非常接近，从而提供进入冷却剂的增加的热通量，并且因此提供改进的冷却性能。同时，由于主体的扁平区域和管道区域彼此连续地形成，所以与模块化装置不同，在区段之间没有接头或密封件。这不仅避免了具有分开部件的相关生产和组装成本，而且将中空主体设置为单个冷却管避免了不同功能部件之间的泄漏连接的风险。
11.在实施方式中，冷却装置还包括用于将主体固定到电路板的一个或多个联接件。这样，冷却装置可以直接固定到电路板以提供紧凑的组件。在实施方式中，联接件包括用于接收用于将扁平区域附接到电路板的固定装置的固定装置孔口。
12.在实施方式中，联接件包括用于使扁平区域朝向电子部件偏置的偏置元件。这样，维持有效热接触所需的热界面材料的体积被最小化。此外，贯穿不同的操作条件，可以维持扁平区域和有源部件之间的配合，从而提供改进的冷却一致性。
13.在实施方式中，所述联接件包括固定装置，并且所述偏置元件是弹簧，所述弹簧联接到所述固定装置，以用于向所述扁平区域施加偏置力，以便使所述扁平区域朝向待冷却的相应的一个或多个电子部件偏置。这样，弹簧允许在多个联接件处施加和维持一致的压缩压力。
14.在实施方式中，至少一个联接件与每个扁平区域相关联，以用于将扁平区域固定到待冷却的相应的一个或多个电子部件。这样，联接件可以提供局部固定力以保持扁平区域使之抵靠其相应的电子部件。例如，局部压缩压力可以聚集(cluster)在特定部件周围，以便确保通过扁平区域实现的配合接触被维持。
15.在实施方式中，每个联接件包括用于接收固定装置的孔口。这样，固定装置可以穿过被简单地机加工到设置在主体的外部上的凸耳中的孔来容纳。
16.在实施方式中，扁平区域中的一个或多个具有与管道区域中的一个或多个基本上
相同的横截面面积。这样，可以维持一致的流体流动速度，从而减轻形成冷却剂的静止区的风险，否则该冷却剂的静止区会降低热传递效率。
17.在实施方式中，扁平区域中的一个或多个具有比管道区域中的一个或多个更小的横截面面积。这样，局部较高流速或湍流的区域可以形成在中空主体内，以用于增加这些区域的热交换。
18.在实施方式中，主体通过液压成形形成。优选地，主体通过管液压成形(tube hydroforming)而形成。这样，主体可以形成为薄壁中空结构，这不仅降低了重量和材料成本，而且允许通过减小有源部件与冷却剂之间的热路径的距离来增强冷却效率。在替代实施方式中，主体可以通过3d打印形成。
19.在实施方式中，主体由金属形成。这提供了用于增强冷却效率的高导热材料，以及足够的刚性以允许容易地连接到电路板。
20.在实施方式中，扁平区域和管道区域一体地形成。
21.在实施方式中，所述扁平区域包括平坦冷却面，所述平坦冷却面用于配合抵靠待冷却的相应的一个或多个电子部件。
22.在实施方式中，主体包括用于使循环穿过冷却剂输送回路的冷却剂流体中断的内部结构。这样，热交换结构可设置在冷却剂输送回路内，以用于增强热传递。
23.在实施方式中，电路板还包括无源部件，并且主体被构造成在被固定成与电路板相邻时使无源部件暴露。这样，冷却装置的扁平区域可以安置于无源部件的高度之下，从而允许它们的冷却表面定位成更靠近较热的有源部件。此外，冷却效果也可以由此集中在有源部件上。
24.根据第二方面，提供了一种形成用于冷却安装在电路板上的电子部件的冷却装置的方法，该方法包括：提供坯料；在模具中压制所述坯料以形成具有由管道区域链接的多个扁平区域的中空主体，其中，所述扁平区域和管道区域形成为所述主体的连续区域，并且其中，所述中空主体限定用于使冷却剂流体循环穿过其中的冷却剂输送回路，并且每个扁平区域被构造成当所述主体被固定成与所述电路板相邻时与一个或多个电子部件对准，以用于将热量从相应的一个或多个电子部件传递走。
25.这样，提供了一种简单的用于形成高效且轻质的冷却装置的制造方法。
26.在实施方式中，坯料是具有限定内孔的壁的管，并且压制坯料的步骤包括将管固定在模具内并且将加压液体施加到内孔以用于使壁符合模具的形状。这样，液压成形可用于形成作为薄壁的中空结构的主体。这可由此提供具有减小的重量和材料成本以及提供增强的冷却效率的冷却装置。
附图说明
27.现在将参考附图描述说明性实施方式，其中：
28.图1示出了根据第一实施方式的冷却装置的俯视图；
29.图2示出了图1所示的冷却装置的等距视图；
30.图3示出了根据第二实施方式的冷却装置的等距视图；
31.图4示出了图3所示的冷却装置的俯视图；
32.图5示出了图3所示的冷却装置的替代俯视图，其中扁平区域是透明的；以及
33.图6示出了沿冷却剂路径并穿过图3所示冷却装置的扁平区域的横截面图。
具体实施方式
34.图1和图2示出了冷却装置1的第一实施方式，该冷却装置被设置为连续的管状主体3、4，该管状主体具有由管道区域3链接的多个扁平区域4。主体3、4的中空内孔在入口2到出口7之间形成流体回路。在使用中，冷却剂流体被泵送穿过该流体回路以将热量从相邻的电子部件传递走。
35.管道区域3具有基本上圆形的横截面，并且被构造成盘旋在电路板6上，避免从其表面突出的较高的无源部件(未示出)。
36.在管道区域3和扁平区域4之间的接合处，圆形横截面过渡到具有基本上平坦底面的较宽的扁平区段。每个扁平区域4的扁平底面提供用于与在其工作期间产生热量的有源部件8的顶面配合的配合表面。同时，如图2所示，主体3、4内的扁平区域4被定位成使得当冷却装置装配到电路板6时该扁平区域覆盖电路板上的有源电子部件8。
37.冷却装置1还包括用于将装置1固定到电路板6的多个联接件5。联接件5包括从主体3、4的外部延伸的固定装置凸耳，并包括用于接收偏置固定装置的孔口，该偏置固定装置用于将主体3、4连接到电路板6。
38.在该实施方式中，主体3、4使用液压成形的管形成为单个部件。将前体管(pre-cursor)弯曲成近似形状并在模具内压制。然后通过管的孔施加高压液体，例如水，以迫使壁与模具相符。这提供了单个整体部件，其减轻了冷却剂泄漏的风险并且简化了装置1到电路板6的连接。同时，提供了坚固的薄壁结构，该薄壁结构不仅对工作条件有弹性，而且允许提供从有源部件8到循环穿过主体3、4的冷却剂的有效热传递。
39.图3至图6示出了根据第二实施方式的冷却装置。尽管这些图提供了装置1和电路板6的更详细的图示，但是装置1以与第一实施方式基本上相同的方式起作用，因此省略了对共同部分的描述。
40.如图所示，装置1已经装配到电路板6，以用于在电子部件工作期间冷却电子部件。电路板6是包括多个部件的印刷电路板，多个部件中一些可以被分类为有源部件8，因为它们在工作期间产生热量并且需要冷却，并且多个部件中一些可以被分类为无源部件9，因为它们在工作期间不需要冷却或者仅需要无源冷却。
41.装置的主体3、4包括两个扁平区域4，其中管道区域3连接在两个扁平区域3之间并形成入口2和出口7。扁平区域4具有非常薄的平坦构造，具有宽的矩形横截面。每个扁平区段的横截面面积与圆形管道区域3的孔面积基本上相同。这样，贯穿冷却装置的冷却剂的流速基本上是恒定的。这可由此减轻冷却剂死区的风险，在死区中低流率可降低冷却效率。
42.图5示出了组件，其中扁平区域4是透明的，以示出被覆盖的有源部件8。这使得无源部件9暴露。因此，冷却效果集中在电路的工作期间变热的部件上。
43.图6示出了穿过扁平区域4中的一个的横截面图，该截面是沿着冷却剂路径截取的。如图所示，管道区域3向下渐缩成薄的扁平区域4，并且底部外表面与下面的有源部件8的顶表面配合。扁平区域4也被安置为低于无源部件9的高度，从而使冷却剂变为更接近由有源部件8散发的热量。
44.图6还更详细地示出了联接件5的固定装置。在该实施方式中，固定装置被设置为
螺钉10，该螺钉延伸穿过设置在主体3、4上的凸耳，并且被接收在设置在电路板6上的螺纹孔口中。每个固定装置具有与螺钉10同轴布置的压缩弹簧11形式的偏置元件。弹簧10被支撑在顶部处的螺钉的头部和从主体3、4延伸的凸耳之间，从而施加压缩力以用于使主体3、4偏置成与该主体所覆盖的有源部件8接触。同时，联接件5聚集在有源部件8周围。这样，可以施加一致的压缩力以在所有不同的操作条件下在扁平区域4的配合面和下面的有源部件8之间维持良好的热接触。这样，可以适应不同部件的工作负载和热膨胀系数的变化。此外，在汽车应用中，即使在驾驶期间出现振动，也可以维持接触。这可以由此补偿组件中的任何尺寸变化，否则该尺寸变化可能导致接触表面之间的更大气隙。结果，对热界面材料(tim)的需要被限制为补偿由于有源部件8和扁平区域4的表面粗糙度而可能产生的任何残留间隙。因此，只需要非常薄的一层tim。
45.在使用中，冷却剂，例如水/乙二醇混合物，被泵送穿过入口2，进入并填充第一扁平区段4，流过管道区段3并填充第二扁平区段4，然后穿过出口管7离开。这样，冷却剂充满扁平区域4的内部，从有源部件8的顶表面汲取热量。在汽车应用中，入口管2和出口管7可以由车辆的冷却系统供给。
46.利用上述装置，扁平区域4可以提供与有源部件8的良好热接触，同时允许冷却剂比它们在常规冷板系统中定位得更靠近那些有源部件8。同时，与传统的冷板系统相比，该装置需要较少的材料，从而节省了重量和成本，并且提供了非常高的冷却效率。
47.应当理解，上述实施方式仅出于说明的目的示出了应用。实际上，实施方式可以应用于许多不同的构造，详细的实施方式对于本领域技术人员来说是简单的。
48.例如，尽管扁平区域4已经被示出为具有用于配合到有源部件的平坦底部表面，但是将理解的是，部件结构也可以被设置在该表面上。即，可以形成与相关联的有源部件的顶部相对应的突起和/或凹陷，从而改进冷却表面与部件的配合。
49.此外，尽管主体3、4已被描述为具有中空管状构造，尽管具有扁平区域，但结构可被设置成控制冷却剂输送回路内的流速和湍流。例如，为了增强热交换，扁平区域中的一个或多个可具有减小的横截面面积以增加穿过该区域的流体流量。此外，内部结构可以被设置成在冷却剂流中产生局部湍流，以用于增强冷却效率。
50.最后，尽管上述示例将主体的结构描述为单个整体部件，但是将理解的是，主体可以由在制造期间组装在一起以形成单个单元的多个部件形成。例如，主体可以被铸造为上部区段和下部区段，然后将它们焊接在一起。然而，主体的扁平区域和管道区域彼此连续地形成。也就是说，即使在主体可以由组成部件形成的情况下，这些组成部件也将包括扁平区域和管道区域。这样，减轻了在主体的不同功能部件之间发生泄漏的风险。