DE10393423T5

DE10393423T5 - Verfahren und Vorrichtung zur flexiblen Fluidzuführung zur Kühlung von gewünschten Hot Spots in einer wärmeerzeugenden Einrichtung

Info

Publication number: DE10393423T5
Application number: DE10393423T
Authority: DE
Inventors: Thomas William San Carlos Kenny jun.; James Gill Santa Cruz Shook; Mark Los Gatos Munch; Girish Mountain View Upadhya; Peng Albany Zhou; Goodson E. Belmont Kenneth; David Los Altos Corbin
Original assignee: Cooligy Inc
Current assignee: Cooligy Inc
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2005-10-06
Also published as: US6988534B2; US20040104022A1; JP2006514734A; WO2004042313A1; TW200413686A; TWI300469B; AU2003277341A1; TWI289192B; TW200413687A

Abstract

Wärmetauscher umfassend:
a. eine Grenzflächenschicht zur Kühlung einer Wärmequelle, worin die Grenzflächenschicht derart gestaltet ist, daß sie dort hindurch Fluid leitet, wobei die Grenzflächenschicht mit der Wärmequelle gekoppelt ist, und
b. eine Verteilerschicht zum Zirkulierenlassen von Fluid zu und von der Grenzflächenschicht, worin die Verteilerschicht derart gestaltet ist, daß sie mindestens ein Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet in der Wärmequelle selektiv kühlt.

Description

Verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht die Priorität gemäß 35 U.S.C. 119 (e) der parallel anhängigen provisorischen U.S.-Patentanmeldung, Anmeldenummer 60/423,009 , eingereicht am 1. November 2002 mit dem Titel "METHODS FOR FLEXIBLE FLUID DELIVERY AND HOTSPOT COOLING BY MICHROCHANNEL HEAT SINKS", deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird. Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht auch die Priorität gemäß 35 U.S.C. 119 (e) der parallel anhängigen provisorischen U.S.-Patentanmeldung, Anmeldenummer 60/442,383 , angemeldet am 24. Januar 2003 mit dem Titel "OPTIMIZED PLATE FIN HEAT EXCHANGER FOR CPU COOLING", deren Inhalt hierin durch Bezugnahme auch aufgenommen wird. Zusätzlich beansprucht die vorliegende Patentanmeldung die Priorität gemäß 35 U.S.C. 119 (e) der parallel anhängigen provisorischen U.S.-Patentanmeldung, Anmeldenummer 60/455,729 , angemeldet am 17. März 2003 mit dem Titel "MICROCHANNEL HEAT EXCHANGER APPARATUS WITH POROUS CONFIGURATION AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF"; deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung einer wärmeerzeugenden Einrichtung im allgemeinen und speziell ein Verfahren und eine Vorrichtung zur flexiblen Fluidzuführung zur Kühlung von gewünschten Hot Spots in einem elektronischen Bauelement mit minimalem Druckabfall im Wärmetauscher.
Hintergrund der Erfindung
Seit deren Einführung in den frühen 80er Jahren haben Mikrokanal-Kühlkörper viel Potential für Kühlanwendungen bei hohem Wärmefluß gezeigt und sind sie in der Industrie verwendet worden. Jedoch sind existierende Mikrokanäle, die herkömmliche Anordnungen mit parallelen Kanälen enthalten, die verwendet werden, zur Kühlung von wärmeerzeugenden Einrichtungen wenig geeignet, die räumlich veränderliche Wärmebelastungen aufweisen. Genannte wärmeerzeugenden Einrichtungen weisen Gebiete auf, die mehr Wärme als andere erzeugen. Diese heißeren Gebiete werden hiermit als "Hot Spots" bezeichnet, während die Gebiete der Wärmequelle, die nicht so viel Wärme erzeugen, hiermit als "Warm Spots" bezeichnet werden.
1A und 1B stellen eine Seitenansicht und Draufsicht eines Wäremetauschers 10 im Stand der Technik von oben dar, der mit einem elektronischen Baustein 99, wie zum Beispiel einem Mikroprozessor, über ein Wärmekopplungsmaterial 98 gekoppelt ist. Wie in den 1A und 1B gezeigt ist, strömt Fluid allgemein aus einer einzigen Einlaßöffnung 12 und strömt es entlang der Unterseite 11 in den parallelen Mikrokanälen 14, wie dies durch die Pfeile gezeigt ist, und tritt es durch die Auslaßöffnung 16 aus. Obwohl der Wärmetauscher 10 den elektronischen Baustein 99 kühlt, strömt das Fluid von der Einlaßöffnung 12 zur Auslaßöffnung 16 in einer gleichförmigen Weise. Mit anderen Worten strömt das Fluid im wesentlichen gleichförmig entlang der gesamten Unterseite 11 des Wärmetauschers 10 und führt es nicht mehr Fluid zu Gebieten in der Unterseite 11, die Hot Spots in den Baustein 99 entsprechen. Zusätzlich nimmt die Temperatur von Flüssigkeit, die aus dem Einlaß strömt, allgemein zu, wenn sie entlang der Unterseite 11 des Wärmetauschers strömt. Somit werden Gebiete der Wärmequelle 99, die sich stromabwärts von oder in der Nähe der Auslaßöffnung 16 befinden, nicht mit Kühlfluid versorgt, sondern tatsächlich wärmerem Fluid oder Zweiphasenfluid, das stromaufwärts bereits erwärmt worden ist. Effektiv breitet sich das erwärmte Fluid tatsächlich über die gesamte Unterseite 11 des Wärmetauschers und das Gebiet der Wärmequelle 99 aus, wodurch Fluid in der Nähe der Auslaßöffnung 16 so heiß ist, daß es beim Kühlen der Wärmequelle 99 unwirksam wird. Diese Erhöhung der Wärme verursacht Instabilitäten der Zweiphasenströmung, bei denen das Kochen von Fluid entlang der Unterseite 11 Fluid von den Gebieten wegtreibt, wo die meiste Wärme erzeugt wird. Zusätzlich zwingt der Wärmetauscher 10 mit nur einem Einlaß 12 und einem Auslaß 16 Fluid dazu, sich entlang der langen parallelen Mikrokanäle 14 in der Unterseite 11 über die gesamte Länge des Wärmetauschers 10 zu bewegen, wodurch ein großer Druckabfall aufgrund der Strecke, die das Fluid zurücklegen muß, erzeugt wird. Der in dem Wärmetauscher 10 gebildete große Druckabfall macht Pumpen von Fluid zum Wärmetauscher 10 schwierig.
1C stellt ein Seitenansichtdiagramm eines mehrschichtigen Wärmetauschers 20 im Stand der Technik dar. Fluid tritt in den mehrschichtigen Wärmetauscher 20 durch die Öffnung 22 und geht hinab durch vielfachen Stränge 28 in der mittleren Schicht 26 zur Unterseite 27 und zur Auslaßöffnung 24. Zusätzlich strömt das sich entlang der Stränge 28 bewegende Fluid nicht gleichförmig zur Unterseite 27 hinab. Nichtsdestotrotz sorgt die Gestaltung, obwohl das Fluid, das in den Wärmetauscher eintritt, über die Länge des Wärmetauschers 20 verteilt wird, nicht für mehr Fluid bei den heißeren Gebieten (Hot Spots) des Wärmetauschers 20 und der Wärmequelle, die mehr Fluidstromzirkulation benötigen. Darüber hinaus weist der Wärmetauscher in 1C dieselben Probleme auf, wie sie oben in Bezug auf den Wärmetauscher 10 in den 1A und 1B beschrieben wurden.
Es wird ein Wärmetauscher benötigt, der so gestaltet ist, daß eine geeignete Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle erzielt wird. Es wird auch ein Wärmetauscher benötigt, der derart gestaltet ist, daß eine geeignete Gleichförmigkeit angesichts von Hot Spots in der Wärmequelle erzielt wird. Es wird auch ein Wärmetauscher benötigt, der eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, um einen Wärmeaustausch mit der Wärmequelle angemessen durchzuführen. Ferner wird ein Wärmetauscher benötigt, der derart gestaltet ist, daß ein geringer Druckabfall zwischen den Einlaß- und Auslaßfluidöffnungen erzielt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt ein Mikrokanal-Wärmetauscher eine Grenzflächen zur Kühlung einer Wärmequelle, worin die Grenzflächen derart gestaltet sind, daß sie dort hindurch Fluid leitet. Die Grenzflächen sind vorzugsweise mit der Wärmequelle gekoppelt. Der Wärmetauscher umfaßt außerdem eine Verteilerschicht zur Versorgung der Grenzflächen mit Fluid. Die Verteilerschicht ist derart gestaltet, daß sie mindestens einen Hot Spot selektiv kühlt und vorzugsweise Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle erzielt. Die Verteilerschicht enthält vorzugsweise eine Vielzahl von Durchgängen, die Fluid zu den Hot Spots leiten. Die Verteilerschicht enthält mindestens eine Einlaßöffnung und mindestens eine Auslaßöffnung. Die Vielzahl von Fluidöffnungen läßt Fluid in mindestens einem vorab festgelegten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet im Wärmetauscher zirkulieren, wobei das mindestens eine vorab festgelegte Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet mit dem Hot Spot in der Wärmequelle verbunden ist. Mindestens eine der Vielzahl von Fluidöffnungen ist vertikal und horizontal gestaltet.
Vorzugsweise ist mindestens eine der Vielzahl von Fluidöffnungen mit der Verteilerschicht gekoppelt. Alternativ ist mindestens eine der Vielzahl von Fluidöffnungen mit der Grenzflächenschicht gekoppelt. Der Wärmetauscher umfaßt ferner eine Zwischenschicht, die Fluid von der Vielzahl von Fluidöffnungen zu dem mindestens einen vorab festgelegten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet optimal leitet, wobei die Zwischenschicht zwischen der Grenzflächenschicht und der Verteilerschicht positioniert ist. Die Zwischenschicht ist mit der Grenzflächenschicht und der Verteilerschicht gekoppelt und alternativ mit der Grenzflächenschicht und der Verteilerschicht integral ausgebildet. Die Grenzflächenschicht enthält darauf eine Beschichtung, worin die Beschichtung vorzugsweise für eine geeignete Wärmeleitfähigkeit für die Grenzflächenschicht von mindestens 20 W/m-K sorgt sowie die Grenzflächenschicht schützt. Vorzugsweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung 100 W/m-K. Der Wärmetauscher umfaßt außerdem eine Vielzahl von Mikrokanälen, die in einem vorab festgelegten Muster entlang der Grenzflächenschicht angeordnet sind. Die Vielzahl von Mikrokanälen ist mit der Grenzflächenschicht gekoppelt und alternativ mit der Grenzflächenschicht integral ausgebildet. Die Vielzahl von Mikrokanälen enthält alternativ darauf eine Beschichtung, worin die Beschichtung vorzugsweise eine geeignete Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/m-K aufweist. Der Wärmetauscher umfaßt ferner mindestens einen Sensor zur Bereitstellung von Information, die mit dem Betrieb der Wärmequelle verbunden ist. Der Sensor ist im wesentlichen proximal zum Hot Spot-Ort angeordnet. Der Wärmetauscher umfaßt ferner ein Steuermodul, das mit dem mindestens einen Sensor gekoppelt ist. Das Steuermodul steuert die Fluidströmung in den Wärmetauscher als Antwort auf vom Sensor bereitgestellter Information. Der Wärmetauscher umfaßt ferner eine Dampfaustrittsmembran, die über der Grenzflächenschicht positioniert ist. Die Dampfaustrittsmembran läßt Dampf dort hindurch zur mindestens einen Auslaßöffnung treten, worin die Dampfaustrittsmembran Fluid entlang der Grenzflächenschicht hält. Zusätzlich ist ein zweiter Wärmetauscher alternativ mit einer Oberfläche der gegenüber dem Wärmetauscher positionierten Wärmequelle gekoppelt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Wärmetauscher eine Grenzflächenschicht zur Kühlung einer Wärmequelle. Die Grenzflächenschicht ist mit der Wärmequelle gekoppelt und gestaltet, um Fluid dadurch treten zu lassen. Die Grenzflächenschicht weist eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/m-K auf. Der Wärmetauscher umfaßt auch eine Verteilerschicht zur Versorgung der Grenzflächenschicht mit Fluid, wobei die Verteilerschicht derart gestaltet ist, daß sie die Kühlung von Hot Spots der Wärmequelle optimiert. Der Wärmetauscher enthält mindestens eine Fluidöffnung, die derart gestaltet ist, daß die Kühlung von Hot Spots in der Wärmequelle optimiert wird. Der Wärmetauscher enthält mindestens eine Einlaßöffnung und mindestens eine Auslaßöffnung. Mindestens eine der Fluidöffnungen in der Verteilerschicht läßt Fluid zu mindestens einem vorab festgelegten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet in der Grenzflächenschicht zirkulieren, worin das mindestens eine vorab festgelegte Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet mit dem Hot Spot in der Wärmequelle verbunden ist. Ein Abschnitt des mindestens einen Fluidöffnung ist vertikal und horizontal gestaltet. Der Wärmetauscher umfaßt ferner eine Zwischenschicht zur optimalen Leitung von Fluid von der mindestens einen Fluidöffnung zum mindestens einen vorab festgelegten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet. Die Zwischenschicht ist zwischen der Grenzflächenschicht und der Verteilerschicht positioniert. Die Zwischenschicht ist mit der Grenzflächenschicht und der Verteilerschicht gekoppelt und alternativ mit der Grenzflächenschicht und der Verteilerschicht integral ausgebildet. Die Zwischenschicht enthält darauf eine Beschichtung, wobei die Beschichtung eine geeignete Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/m-K aufweist. Der Wärmetauscher umfaßt ferner eine Vielzahl von Mikrokanälen, die in einem vorab festgelegten Muster entlang der Grenzflächenschicht gestaltet sind. Die Vielzahl von Mikrokanälen ist mit der Grenzflächenschicht gekoppelt und alternativ mit der Grenzflächenschicht integral ausgebildet. Die Vielzahl von Mikrokanälen enthält darauf eine Beschichtung, wobei die Beschichtung eine geeignete Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/m-K aufweist. Die Vielzahl von Mikrokanälen umfaßt ferner ein Mikrokanalmaterial und die Grenzflächenschicht umfaßt ferner ein Wärmekopplungsmaterial. Das Mikrokanalmaterial ist dasselbe wie das Wärmekopplungsmaterial und unterscheidet sich alternativ davon. Der Wärmetauscher umfaßt ferner eine Dampfaustrittsmembran, die über der Grenzflächenschicht positioniert ist. Die Dampfaustrittsmembran läßt Dampf dort hindurch zur Auslaßöffnung treten und hält Fluid entlang der Grenzflä chenschicht. Der Wärmetauscher umfaßt ferner einen zweiten Wärmetauscher, der mit einer Oberfläche der Wärmequelle gekoppelt ist, die gegenüber dem Wärmetauscher positioniert ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers zur Kühlung einer Wärmequelle gestaltet. Das Verfahren umfaßt Ausbilden einer Grenzflächenschicht, die derart gestaltbar ist, daß sie mit der Wärmequelle koppelbar ist. Die Grenzflächenschicht weist eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/m-K auf, um Wärme zwischen der Wärmequelle und der Grenzflächenschicht ausreichend zu übertragen. Das Verfahren umfaßt auch Ausbilden einer Verteilerschicht in Verbindung mit der Grenzflächenschicht, worin die Verteilerschicht derart gestaltet ist, daß sie dafür sorgt, daß Fluid entlang der Grenzflächenschicht zur Kühlung der Wärmequelle strömt. Das Verfahren umfaßt ferner die Ermittlung von einem oder mehreren Hot Spot-Orten in der Wärmequelle. Das Verfahren umfaßt ferner die Ausbildung des Wärmetauschers mit einer Vielzahl von Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten, worin jedes Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet mit dem einen oder mehreren Hot Spot-Orten verbunden ist. Das Verfahren umfaßt ferner Kopplung einer Vielzahl von Fluidöffnungen mit dem Wärmetauscher, worin eine oder mehrere der Vielzahl von Fluidöffnungen derart gestaltet ist/sind, daß Fluid direkt zu einem oder mehreren ausgewählten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten in der Vielzahl von Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten zirkulieren gelassen wird. Ein Teil der Vielzahl von Fluideinlässen ist vertikal und horizontal gestaltet. Das Verfahren umfaßt ferner Ausbildung einer Zwischenschicht, die sich zwischen der Verteilerschicht und der Grenzschicht befindet. Die Zwischenschicht ist derart gestaltet, daß sie das Fluid von der Verteilerschicht zu dem einen oder mehreren ausgewählten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten) optimal leitet. Die Zwischenschicht ist mit der Grenzflächenschicht und der Verteilerschicht gekoppelt. Die Zwischenschicht ist alternativ mit der Verteilerschicht und der Grenzflächenschicht integral ausgebildet. Das Verfahren umfaßt ferner Aufbringen einer wärmeleitfähigen Beschichtung auf die Grenzflächenschicht, wobei die wärmeleitfähige Beschichtung durch einen Galvanoformungsprozeß aufgebracht wird. Das Verfahren umfaßt ferner die Gestaltung einer Vielzahl von Mikrokanälen in einem vorab festgelegten Muster entlang der Grenzflächenschicht. Das Verfahren umfaßt außerdem Koppeln der Vielzahl von Mikrokanälen mit der Grenzflächenschicht und alternativ integrales Ausbilden der Vielzahl von Mikrokanälen mit der Grenzflächenschicht. Das Verfahren umfaßt außerdem Ausbringen einer Beschichtung auf die Vielzahl von Kanälen, wobei die Beschichtung die geeignete Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/m-K aufweist.
Die Beschichtung wird vorzugsweise auf die Vielzahl von Mikrokanälen durch einen Galvanoformungsprozeß aufgetragen. Die Grenzflächenschicht enthält ein Kopplungsmaterial mit einer Wärmeausdehnungseigenschaft, wobei die Wärmeausdehnungseigenschaft des Kopplungsmaterials im wesentlichen äquivalent zu einer korrespondierenden Wärmeausdehnungseigenschaft eines Wärmequellenmaterials ist oder sich alternativ davon wesentlichen unterscheidet. Das Verfahren umfaßt außerdem Positionieren einer Dampfaustrittsmembran über der Grenzflächenschicht, wobei die Dampfaustrittsmembran Fluid entlang der Grenzflächenschicht hält und Dampf dort hindurch zu einer Auslaßöffnung treten läßt. Das Verfahren umfaßt ferner Kopplung eines zweiten Wärmetauschers mit einer Oberfläche der Wärmequelle, die gegenüber dem Wärmetauscher positioniert ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Wärmetauscher ein Mittel zur Kühlung einer Wärmequelle. Das Mittel zur Kühlung ist mit der Wärmequelle gekoppelt und derart gestaltet, daß dort hindurch Fluid tritt. Der Wärmetauscher umfaßt ferner ein Mittel zum Versorgen des Mittels zur Kühlung mit Fluid. Das Mittel zur Versorgung enthält eine Vielzahl von Fluideinlässen, die derart gestaltet sind, daß sie Hot Spot-Kühlung der Wärmequelle optimieren.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach Betrachtung der ausführlichen Beschreibung der unten näher dargestellten bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A stellt eine Seitenansicht eines herkömmlichen Wärmetauschers dar.
1B stellt eine Draufsicht des herkömmlichen Wärmetauschers von oben dar.
1C stellt ein Diagramm eines mehrschichtigen Wärmetauschers in Seitenansicht dar.
2A stellt ein Schemadiagramm eines geschlossenen Kühlsystems dar, das eine bevorzugte Ausführungsform des Mikrokanal-Wärmetauschers mit flexibler Fluidzuführung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
2B stellt ein Schemadiagramm eines geschlossenen Kühlsystems dar, das eine alternative Ausführungsform des Mikrokanal-Wärmetauschers mit flexibler Fluidzuführung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
3A stellt eine Draufsicht der bevorzugten Verteilerschicht des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
3B stellt eine auseinandergezogene Ansicht des bevorzugten Wärmetauschers mit der bevorzugten Verteilerschicht gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
4 stellt eine perspektivische Ansicht einer geflochtenen Verteilerschicht gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
5 stellt eine Draufsicht der geflochtenen Verteilerschicht mit Grenzflächenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung von oben dar.
6A stellt eine Querschnittsansicht der geflochtenen Verteilerschicht mit Grenzflächenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung entlang der Linie A-A dar.
6B stellt eine Querschnittsansicht der geflochtenen Verteilerschicht mit Grenzflächenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung entlang der Linie B-B dar.
6C stellt eine Querschnittsansicht der geflochtenen Verteilerschicht mit Grenzflächenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung entlang der Linie C-C dar.
7A stellt eine auseinandergezogene Ansicht der geflochtenen Verteilerschicht mit Grenzflächenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
7B stellt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Grenzflächenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
8A stellt ein Diagramm einer alternativen Verteilerschicht gemäß der vorliegenden Erfindung in Draufsicht von oben dar.
8B stellt ein Diagramm der Grenzflächenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung in Draufsicht von oben dar.
8C stellt ein Diagramm der Grenzflächenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung in Draufsicht von oben dar.
9A stellt ein Diagramm der alternativen Ausführungsform des Dreischichten-Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung in Seitenansicht dar.
9B stellt ein Diagramm der alternativen Ausführungsform des Zweischichten-Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung in Seitenansicht dar.
10 stellt eine perspektivische Ansicht der Grenzflächenschicht mit einer Mikro-Pin-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
11 stellt ein perspektivisches Schnittdiagramm des alternativen Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
12 stellt ein Diagramm der Grenzflächenschicht des Wärmetauschers mit einem darauf aufgebrachten Beschichtungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung in Seitenansicht dar.
13 stellt ein Flußdiagramm eines alternativen Verfahrens zur Herstellung des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
14 stellt eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit zwei mit einer Wärmequelle gekoppelten Wärmetauschern dar.
Ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung
Allgemein fängt der Wärmetauscher Wärmeenergie, die von einer Wärmequelle erzeugt wird, durch Leiten von Fluid durch selektive Gebiete der Grenzflächenschicht ein, die vorzugsweise mit der Wärmequelle gekoppelt ist. Insbesondere wird das Fluid zu speziellen Gebieten in der Grenzflächenschicht gelenkt, um die Hot Spots und Gebiete um die Hot Spots zu kühlen und Temperaturgleichförmigkeit über die Wärmequelle während Beibehaltung eines geringen Druckabfalls im Wärmetauscher allgemein zu erzeugen. Wie unten in den verschiedenen Ausführungsformen diskutiert, verwendet der Wärmetauscher eine Vielzahl von Löchern, Kanälen und/oder Fingern in der Verteilerschicht sowie Leitungen in der Zwischenschicht, um Fluid zu und von ausgewählten Hot Spot-Gebieten in der Grenzflächenschicht zu lenken und zirkulieren zu lassen. Alternativ enthält der Wärmetauscher mehrere Öffnungen, die speziell an vorab festgelegten Orten angeordnet sind, um Fluid zu den Hot Spots direkt zuzuführen und davon zu entfernen, um die Wärmequelle effektiv zu kühlen.
Es ist für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, daß, obwohl der Mikrokanal-Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung in Bezug auf flexible Fluidzuführung zur Kühlung von Hot Spot-Orten in einer Einrichtung beschrieben und diskutiert wird, der Wärmetauscher alternativ zur flexiblen Fluidzuführung zur Erwärmung eines Cold Spot-Ortes in einer Einrichtung verwendet wird. Man sollte auch beachten, daß, obwohl die vorliegende Erfindung vorzugsweise als ein Mikrokanal-Wärmetauscher beschrieben wird, die vorliegende Erfindung in anderen Anwendungen verwendet werden kann und nicht auf die Diskussion hierin beschränkt ist.
2A stellt ein Schemadiagramm eines geschlossenen Kühlsystems 30 dar, das einen bevorzugten Mikrokanal-Wärmetauscher 20 für flexible Fluidzuführung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. Zusätzlich stellt 2B ein Schemadiagramm eines geschlossenen Kühlsystems 30 dar, das einen alternativen Mikrokanal-Wärmetauscher 100 für flexible Fluidzuführung mit mehreren Öffnungen 108, 109 gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
Wie in 2A gezeigt ist, sind die Fluidöffnungen 108, 109 mit Fluidleitungen 38 gekoppelt, die mit einer Pumpe 32 und einem Wärmekondensator 30 gekoppelt sind. Die Pumpe 32 pumpt und läßt Fluid im geschlossenen Kreislauf 30 zirkulieren. Es wird bevorzugt, daß eine Fluidöffnung 108 zum Zuführen von Fluid zum Wärmetauscher 100 verwendet wird. Zusätzlich wird bevorzugt, daß eine Fluidöffnung 109 zum Beseitigen von Fluid aus dem Wärmetauscher 100 verwendet wird. Vorzugsweise tritt eine gleichförmige, konstante Durchflußmenge in den Wärmetauscher 100 und verläßt sie diesen wieder über die jeweiligen Fluidöffnungen 108, 109. Alternativ treten zu einem bestimmten Zeitpunkt unterschiedliche Durchflußmengen durch die Einlaß- und Auslaßöffnungen 108, 109 ein und verlassen sie diese. Wie in 2B gezeigt ist, liefert alternativ eine Pumpe Fluid an mehrere vorgesehene Einlaßöffnungen 108. Alternativ liefern mehrere Pumpen (nicht gezeigt) Fluid zu deren jeweiligen Ein-laß- und Auslaßöffnungen 108, 109. Zusätzlich wird das dynamische Meß- und Steuermodul 34 alternativ im System verwendet, um die Menge und Durchflußgeschwindigkeit von Fluid, das in den bevorzugten oder alternativen Wärmetauscher eintritt oder daraus austritt, als Ant wort auf variierende Hot Spots oder Änderungen der Wärmemenge an einem Hot Spot-Ort sowie den Orten der Hot Spots zu variieren und dynamisch zu steuern.
3B stellt eine auseinandergezogene Ansicht des bevorzugten Dreischichten-Wärmetauschers 100 mit der bevorzugten Verteilerschicht gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Wie in 3B gezeigt ist, ist die bevorzugte Ausführungsform ein Dreischichten-Wärmetauscher 100, der eine Grenzflächenschicht 102, mindestens eine Zwischenschicht 104 und mindestens eine Verteilerschicht 106 enthält. Wie unten erörtert, ist der Wärmetauscher alternativ eine Zweischichten-Vorrichtung, die die Grenzflächenschicht 102 und die Verteilerschicht 106 enthält. Wie in den 2A und 2B gezeigt ist, ist der Wärmetauscher 100 mit einer Wärmequelle 99, wie zum Beispiel einem elektronischen Baustein, einschließend, ohne aber darauf beschränkt zu sein, einen Mikrochip und integrierte Schaltung, koppelt, wobei ein Wärmekopplungsmaterial 98 vorzugsweise zwischen der Wärmequelle 99 und dem Wärmetauscher 100 angeordnet ist. Alternativ ist der Wärmetauscher 100 mit der Oberfläche der Wärmequelle 99 direkt gekoppelt. Es ist auch für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, daß der Wärmetauscher 100 alternativ mit der Wärmequelle 99 integral ausgebildet, wodurch der Wärmetauscher 100 und die Wärmequelle 99 als ein Stück ausgebildet sind. Somit ist die Grenzflächenschicht 102 mit der Wärmequelle 99 integral angeordnet und als ein Stück mit der Wärmequelle ausgebildet.
Es wird bevorzugt, daß der Wärmetauscher 100 gemäß der vorliegenden Erfindung derart gestaltet ist, daß er in direktem oder indirektem Kontakt mit der Wärmequelle 99 steht, die, wie in den Figuren gezeigt ist, eine rechteckige Gestalt aufweist. Jedoch ist für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, daß der Wärmetauscher 100 irgendeine andere Gestalt aufweisen kann, die mit der Gestalt der Wärmequelle 99 übereinstimmt. Zum Beispiel kann der Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung derart gestaltet sein, daß er eine äußere halbkreisförmige Gestalt aufweist, die ermöglicht, daß der Wärmetauscher (nicht gezeigt) mit einer entsprechenden halbkreisförmigen Wärmequelle (nicht gezeigt) in direktem oder indirektem Kontakt steht. Zusätzlich wird bevorzugt, daß der Wärmetauscher 100 in den Abmes sungen etwas größer als die Wärmequelle innerhalb des Bereiches ist, der 0,5–5,0 Millimeter einschließt.
3A stellt eine Draufsicht der bevorzugten Verteilerschicht 106 der vorliegenden Erfindung von oben dar. Wie in 3B gezeigt ist, enthält die Verteilerschicht 106 genauer gesagt vier Seiten sowie eine Oberseite 130 und eine Unterseite 132. Jedoch ist die Oberseite 130 in 3A entfernt, um das Funktionieren der Verteilerschicht 106 angemessen darzustellen und zu beschreiben. Wie in 3A gezeigt ist, weist die Verteilerschicht 106 eine Reihe von darin ausgebildeten Kanälen oder Durchgängen 116, 118, 120, 122 sowie Öffnungen 108, 109 auf. Vorzugsweise erstrecken sich die Finger 118, 120 vollständig durch den Körper der Verteilerschicht 106 in der Z-Richtung, wie dies in 3B gezeigt ist. Alternativ erstrecken sich die Finger 118 und 120 teilweise durch die Verteilerschicht 106 in der Z-Richtung und weisen sie Löcher auf, wie dies in 3A gezeigt ist. Zusätzlich erstrecken sich die Durchgänge 116 und 122 vorzugsweise teilweise durch die Verteilerschicht 106. Die verbleibenden Gebiete zwischen den Einlaß- und Auslaßdurchgängen 116, 120, als 107 gekennzeichnet, erstrecken sich vorzugsweise von der Oberseite 130 zur Unterseite 132 und bilden den Körper der Verteilerschicht 106.
Wie in 3A gezeigt ist, tritt das Fluid in die Verteilerschicht 106 über die Einlaßöffnung 108 und strömt es entlang des Einlaßkanals 116 zu mehreren Fingern 118, die vom Kanal 116 in mehreren X- und Y-Richtungen abzweigen, um Fluid auf ausgewählte Gebiete in der Grenzflächenschicht 102 anzuwenden. Die Finger 118 sind vorzugsweise in verschiedenen vorab festgelegten Richtungen angeordnet, um Fluid zu den Orten in der Grenzflächenschicht 102 zuzuführen, die den Gebieten an und in der Nähe der Hot Spots in der Wärmequelle entsprechen. Diese Orte in der Grenzflächenschicht 102 werden nachfolgend als Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiete bezeichnet. Die Finger sind derart gestaltet, daß sie stationäre Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiete sowie zeitlich veränderliche Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiete kühlen. Wie in 3A gezeigt ist, sind die Kanäle 116, 122 und Finger 118, 120 vorzugsweise in den X- und Y-Richtungen in der Verteilerschicht 106 angeordnet und erstrecken sie sich in der Z-Richtung, um Zirkulation zwischen der Verteilerschicht 106 und der Grenzflächenschicht 102 zu ermöglichen. Somit ermöglichen die zahlreichen Richtungen der Kanäle 116, 122 und Finger 118, 120 die Zuführung von Fluid zur Kühlung von Hot Spots in der Wärmequelle 99 und/oder Minimierung von Druckabfall im Wärmetauscher 100. Alternativ sind Kanäle 116, 122 und Finger 118, 120 in der Verteilerschicht 106 periodisch angeordnet und weisen sie ein Muster auf, wie in dem in den 4 und 5 gezeigten Beispiel.
Die Anordnung sowie die Abmessungen der Finger 118, 120 sind angesichts der Hot Spots in der Wärmequelle 99 festgelegt, die gekühlt werden sollen. Die Orte der Hot Spots sowie die Menge von in der Nähe oder an jedem Hot Spot erzeugter Wärme werden zur Gestaltung der Verteilerschicht 106 verwendet derart, daß die Finger 118, 120 über oder proximal zu den Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten in der Grenzflächenschicht 102 plaziert werden. Die Verteilerschicht 106 läßt vorzugsweise Einphasen- und Zweiphasenfluid zur Grenzflächenschicht 102 zirkulieren, ohne zuzulassen, daß ein wesentlicher Druckabfall im Wärmetauscher 100 und im System 30 (2A) auftritt. Die Fluidzuführung zu den Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten erzeugt eine gleichförmige Temperatur an dem Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet sowie Gebieten in der Wärmequelle benachbart zu den Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten.
Die Abmessungen sowie die Anzahl von Kanälen 116 und Fingern 118 hängt von einer Anzahl von Faktoren ab. In einer Ausführungsform weisen die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 dieselben Abmessungen in der Breite auf. Alternativ weisen die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 unterschiedliche Abmessungen in der Breite auf. Die Abmessungen in der Breite der Finger 118, 120 liegen vorzugsweise innerhalb des Bereiches, der 0,25–0,50 Millimeter einschließt. In einer Ausführungsform weisen die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 dieselben Abmessungen in Länge und Tiefe auf. Alternativ weisen die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 unterschiedliche Abmessungen in Länge und Tiefe auf. In einer anderen Ausführungsform weisen die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 veränderliche Abmessungen in der Breite entlang der Länge der Finger auf. Die Abmessungen in der Länge der Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 liegen innerhalb des Bereiches, der 0,5 Millimeter bis das Dreifache der Größe der Wärmequellenlänge einschließt. Zusätzlich weisen die Finger 118, 120 eine Abmessung in der Höhe oder Tiefe in einem Bereich auf, der 0,25–0,50 Millimeter einschließt. Zusätzlich wird bevorzugt, daß weniger als 10 oder mehr als 30 Finger pro Zentimeter in der Verteilerschicht 106 angeordnet sind. Jedoch ist für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, daß zwischen 10 und 30 Finger pro Zentimeter in der Verteilerschicht auch vorgesehen sein können.
Es ist innerhalb der vorliegenden Erfindung vorgesehen, die Geometrien der Fingern 118, 120 und Kanäle 116, 122 so abzustimmen, daß sie in einer nicht periodischen Anordnung vorliegen, um bei der Optimierung der Kühlung von Hot Spots der Wärmequelle zu helfen. Zum Erzielen einer gleichförmigen Temperatur über die Wärmequelle 99 ist die räumliche Verteilung des Wärmeübergangs auf das Fluid an die räumliche Verteilung der Wärmeerzeugung angepaßt. Wenn das Fluid entlang der Grenzflächenschicht 102 strömt, nimmt seine Temperatur zu und beginnt es, sich in Dampf unter Zweiphasenbedingungen umzuwandeln. Somit unterliegt das Fluid einer im wesentlichen Ausdehnung, die eine große Erhöhung der Geschwindigkeit zur Folge hat. Allgemein wird die Effizienz des Wärmeübergangs von der Grenzflächenschicht auf das Fluid für Strömungen mit hoher Geschwindigkeit verbessert. Somit ist es möglich, die Effizienz des Wärmeübergangs auf das Fluid durch Einstellung der Querschnittsabmessungen der Fluidzuführ- und -entfernfinger 118, 120 und Kanäle 116, 112 im Wärmetauscher 100 zuzuschneiden.
Zum Beispiel kann ein bestimmter Finger für eine Wärmequelle gestaltet sein, wo die höhere Wärmeerzeugung in der Nähe des Einlasses erfolgt. Zusätzlich kann es von Vorteil sein, einen größeren Querschnitt für die Gebiete der Finger 118, 120 und Kanäle 116, 122 zu gestalten, wo eine Mischung aus Fluid und Dampf erwartet wird. Obwohl es nicht gezeigt ist, kann ein Finger derart gestaltet sein, daß er mit einer kleinen Querschnittsfläche am Einlaß beginnt, um eine Fluidströmung mit hoher Geschwindigkeit zu bewirken. Der bestimmte Finger oder Kanal kann auch derart gestaltet sein, daß er sich auf einen größeren Querschnitt an einem stromabwärtigen Auslaß erweitert, um eine Strömung mit niedrigerer Geschwindigkeit zu verursachen. Diese Gestaltung des Fingers oder Kanals läßt den Wärmetauscher den Druckabfall minimieren und die Kühlung von Hot Spots in Gebieten optimieren, wo das Fluid aufgrund von Umwandlung von flüssig- zu dampfförmig in Zweiphasenströmung an Volumen, Beschleunigung und Geschwindigkeit zunimmt.
Zusätzlich können die Finger 118, 120 und Kanäle 116, 122 derart gestaltet sein, daß sie sich entlang deren Länge aufweiten und danach wieder verengen, um die Geschwindigkeit des Fluids an verschiedenen Plätzen im Mikrokanal-Wärmetauscher 100 zu erhöhen. Alternativ kann es angemessen sein, die Finger- und Kanalabmessungen von groß in klein und wieder zurück mehrere Male zu variieren, um die Wärmeübergangseffizienz auf die erwartete Wärmeabgabeverteilung über der Wärmequelle 99 zuzuschneiden. Man sollte beachten, daß die obige Diskussion der veränderlichen Abmessungen der Finger und Kanäle auch für die anderen diskutierten Ausführungsformen gilt und nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist.
Wie in 3A gezeigt ist, enthält alternativ die Verteilerschicht 106 ein oder mehrere Löcher 119 in den Einlaßfingern 118. Vorzugsweise strömt in dem Dreischichten-Wärmetauscher 100 das Fluid, das entlang der Finger 118 strömt, die Löcher 119 hinab zur Zwischenschicht 104. Alternativ strömt im Zweischichten-Wärmetauscher 100 das Fluid, das entlang der Finger 118 strömt, die Löcher 119 hinab direkt zur Grenzflächenschicht 102. Wie in 3A gezeigt ist, enthält außerdem die Verteilerschicht 106 Löcher 121 in den Auslaßfingern 120. Vorzugsweise strömt im Dreischichten-Wärmetauscher 100 das Fluid, das aus der Zwischenschicht 104 strömt, die Löcher 121 hinauf in die Auslaßfinger 120. Alternativ strömt im Zweischichten-Wärmetauscher 100 das Fluid, das aus der Grenzflächenschicht 102 strömt, direkt die Löcher 121 hinauf in die Auslaßfinger 120.
In der bevorzugten Ausführungsform sind die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 offene Kanäle, die keine Löcher aufweisen. Die Unterseite 103 der Verteilerschicht 106 grenzt an die Oberseite der Zwischenschicht 104 im Dreischichten-Wärmetauscher 100 oder grenzt an die Grenzflächenschicht 102 im Zweischichten-Wärmetauscher. Somit strömt im Dreischichten- Wärmetauscher 100 Fluid frei zu und von der Zwischenschicht 104 und der Verteilerschicht 106. Das Fluid wird zu und von dem geeigneten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet durch Leitungen 105 in der Zwischenschicht 104 gelenkt. Für einen Fachmann auf dem Gebiet ist ersichtlich, daß die Leitungen 105 mit den Fingern direkt ausgerichtet sind, wie dies unten beschrieben ist, oder anderswo im Dreischichten-System positioniert sind.
Obwohl 3B den bevorzugten Dreischichten-Wärmetauscher 100 mit der bevorzugten Verteilerschicht zeigt, ist der Wärmetauscher 100 alternativ eine Zweischichtenstruktur, die die Verteilerschicht 106 und die Grenzflächenschicht 102 enthält, wobei Fluid zwischen der Verteilerschicht 106 und Grenzflächenschicht 102 direkt durchtritt, ohne durch die Grenzflächenschicht 104 zu treten. Für einen Fachmann auf dem Gebiet ist ersichtlich, daß die Gestaltung der gezeigten Verteiler-, Zwischen- und Grenzflächenschichten als Beispiele dienen und dadurch nicht auf die gezeigte Gestaltung beschränkt ist.
Wie in der 3B gezeigt ist, enthält die Zwischenschicht 104 vorzugsweise eine Vielzahl von Leitungen 105, die sich dort hindurch erstrecken. Die Zulaufleitungen 105 lenken Fluid, das aus der Verteilerschicht 106 eintritt, zu den vorgesehenen Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten in der Grenzflächenschicht 102. In ähnlicher Weise leiten die Löcher 105 auch Fluidströmung von der Grenzflächenschicht 102 zu der/den Fluidöffnung(en) 109. Somit sorgt die Zwischenschicht 104 auch für Fluidzuführung von der Grenzflächenschicht 102 zur Austrittsfluidöffnung 109, wo die Austrittsfluidöffnung 108 mit der Verteilerschicht 106 in Verbindung steht.
Die Leitungen 105 sind in der Grenzflächenschicht 104 in einem vorab festgelegten Muster auf der Grundlage einer Anzahl von Faktoren positioniert, die, ohne aber darauf eingeschränkt zu sein, die Orte der Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiete, die in dem Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet zum angemessenen Kühlen der Wärmequelle 99 erforderliche Durchflußmenge und die Temperatur des Fluids einschließen. Vorzugsweise weisen die Leitungen eine Abmessung in der Breite von 100 Mikron auf, obwohl andere Abmessungen in der Breite bis zu mehreren Millimetern vorgesehen sind. Zusätzlich weisen die Leitungen 105 in Abhängigkeit von mindestens den oben erwähnten Faktoren andere Abmessungen auf. Für einen Fachmann auf dem Gebiet ist ersichtlich, daß jede Leitung 105 in der Zwischenschicht 104 dieselbe Gestalt und/oder Abmessung aufweist, obwohl es nicht notwendig ist. Zum Beispiel weisen die Leitungen, wie die oben beschriebenen Finger, alternativ eine veränderliche Abmessung in Länge und/oder Breite auf. Zusätzlich können die Leitungen 105 eine konstante Abmessung in der Tiefe oder Höhe durch die Zwischenschicht 104 aufweisen. Alternativ weisen die Leitungen 105 eine veränderliche Abmessung in der Tiefe, wie zum Beispiel eine trapezförmige oder düsenförmige Gestalt, durch die Zwischenschicht 104 auf. Obwohl die horizontale Gestalt der Leitungen 105 in 2C als rechteckig gezeigt ist, weisen die Leitungen 105 alternativ irgendeine andere Gestalt auf, die, ohne aber darauf beschränkt zu sein, kreisförmig (3A), gebogen, elliptisch einschließt. Alternativ ist/sind eine oder mehrere Leitungen) 105 geformt und stimmen sie mit einem Abschnitt vom obigen Finger oder von obigen Fingern oder dem/den gesamten überein.
Die Zwischenschicht 104 ist vorzugsweise im Wärmetauscher 100 horizontal positioniert, wobei die Leitungen 105 vertikal positioniert sind. Alternativ ist die Zwischenschicht 104 in irgendeiner anderen Richtung im Wärmetauscher 100 positioniert, die, ohne aber darauf beschränkt zu sein, diagonale und gekrümmte Formen einschließen. Alternativ sind die Leitungen 105 in der Zwischenschicht 104 in einer horizontalen, diagonalen, gekrümmten oder irgendeiner anderen Richtung positioniert. Zusätzlich erstreckt sich die Zwischenschicht 104 vorzugsweise horizontal entlang der gesamten Länge des Wärmetauschers 100, wobei die Zwischenschicht 104 die Grenzflächenschicht 102 von der Verteilerschicht 106 vollständig trennt, um das Fluid dazu zu zwingen, durch die Leitungen 105 geleitet zu werden. Alternativ enthält ein Abschnitt des Wärmetauschers 110 nicht die Zwischenschicht 104 zwischen der Verteilerschicht 106 und der Grenzflächenschicht 102, wodurch Fluid dazwischen frei fließen kann. Außerdem erstreckt sich die Zwischenschicht 104 alternativ vertikal zwischen der Verteilerschicht 106 und der Grenzflächenschicht 102, um separate, verschiedene Zwischenschichtengebiete zu bilden. Alternativ erstreckt sich die Zwischenschicht 104 nicht vollständig von der Verteilerschicht 106 zur Grenzflächenschicht 102.
3B stellt eine perspektivische Ansicht der bevorzugten Grenzflächenschicht 102 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Wie in 3B gezeigt ist, enthält die Grenzflächenschicht 102 eine Unterseite 103 und vorzugsweise eine Vielzahl von Mikrokanalwänden 110, wodurch das Gebiet zwischen den Mikrokanalwänden 110 Fluid entlang eines Fluidströmungsweges leitet oder lenkt. Die Unterseite 103 ist vorzugsweise eben und weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, um ausreichenden Wärmeübergang von der Wärmequelle 99 zu ermöglichen. Alternativ enthält die Unterseite 103 Mulden und/oder Kämme, die zum Sammeln oder Abstoßen von Fluid von einem bestimmten Ort gestaltet sind. Die Mikrokanalwände 110 sind vorzugsweise in einer parallelen Konfiguration gestaltet, wie dies in 3B gezeigt ist, wodurch Fluid vorzugsweise zwischen den Mikrokanalwänden 110 entlang eines Fluidweges fließt. Alternativ weisen die Mikrokanalwände 110 nichtparallele Konfigurationen auf.
Für einen Fachmann auf dem Gebiet ist ersichtlich, daß die Mikrokanalwände 110 alternativ in irgendeiner anderen geeigneten Konfiguration in Abhängigkeit von den oben diskutierten Faktoren gestaltet sind. Zum Beispiel weist die Grenzflächenschicht 102 alternativ Vertiefungen zwischen Abschnitten von Mikrokanalwänden 110 auf, wie dies in 8C gezeigt ist. Zusätzlich weisen die Mikrokanalwände 110 Abmessungen auf, die den Druckabfall oder die Druckdifferenz in der Grenzflächenschicht 102 minimieren. Es ist auch ersichtlich, daß irgendwelche anderen Einrichtungen neben Mikrokanalwänden 110 auch vorgesehen sind, die, ohne aber darauf eingeschränkt zu sein, Säulen 203 (10), aufgerauhte Oberflächen und eine mikroporöse Struktur, wie zum Beispiel Sintermetall und Siliziumschaum 213 (10) oder eine Kombination einschließen. Jedoch werden als Beispiele die in 3B gezeigten parallelen Mikrokanalwände 110 verwendet, um die Grenzflächenschicht 102 in der vorliegenden Erfindung zu beschreiben.
Die Mikrokanalwände 110 lassen das Fluid einen Wärmeaustausch entlang der ausgewählten Hot-Spot-Orte des Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiets durchmachen, um die Wärmequelle 99 an dem Ort zu kühlen. Die Mikrokanalwände 110 weisen vorzugsweise eine Abmessung in der Breite innerhalb eines Bereiches von 20–300 Mikron und eine Abmessung in der Höhe inner halb eines Bereiches von 100 Mikron bis einem Millimeter, in Abhängigkeit von der Leistung der Wärmequelle 99, auf. Die Mikrokanalwände 110 weisen vorzugsweise eine Abmessung in der Länge auf, die im Bereich zwischen 100 Mikron und mehreren Zentimetern, in Abhängigkeit von den Abmessungen der Wärmequelle, sowie der Größe der Hot Spots und der Wärmeflußdichte von der Wärmequelle, liegt. Alternativ sind irgendwelche anderen Mikrokanalwandabmessungen vorgesehen. Die Mikrokanalwände 110 sind vorzugsweise durch eine Trennung mit einer Abmessung im Bereich von 50–500 Mikron, in Abhängigkeit von der Leistung der Wärmequelle 99, voneinander beabstandet, obwohl irgendein anderer Bereich für die Abmessung der Trennung vorgesehen ist.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf die Anordnung in 3B ist die Oberseite der Verteilerschicht 106 weggeschnitten, um die Kanäle 116, 122 und Finger 118, 120 im Körper der Verteilerschicht 106 darzustellen. Die Orte in der Wärmequelle 99, die mehr Wärme erzeugen, werden hiermit als Hot Spots bezeichnet, wobei die Orte in der Wärmequelle 99, die weniger Wärme erzeugen, hiermit als Warm Spots bezeichnet werden. Wie in 3B gezeigt ist, ist die Wärmequelle 99 derart gezeigt, daß sie ein Hot Spot-Gebiet, nämlich am Ort A, und ein Warm Spot-Gebiet, nämlich am Ort B aufweist. Die Gebiete der Grenzflächenschicht 102, die an die heißen und warmen Stellen angrenzen, werden dementsprechend als Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiete bezeichnet. Wie in 3B gezeigt ist, enthält die Grenzflächenschicht 102 Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet A, das über dem Ort A positioniert ist, und Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet B, das über dem Ort B positioniert ist.
Wie in den 3A und 3B gezeigt ist, tritt Fluid anfänglich in den Wärmetauscher 100 vorzugsweise durch eine Einlaßöffnung 108 ein. Danach strömt das Fluid vorzugsweise zu einem Einlaßkanal 116. Alternativ enthält der Wärmetauscher 100 mehr als einen Einlaßkanal 116. Wie in den 3A und 3B gezeigt ist, verzweigt sich das entlang des Einlaßkanals 116 von der Einlaßöffnung 108 strömende Fluid anfänglich zu Finger 118D. Zusätzlich strömt das Fluid, das entlang des Restes des Einlaßkanals 116 fortläuft, zu einzelnen Fingern 118B und 118C und so weiter.
In 3B wird Fluid zum Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet A durch Strömen zum Finger 118A gefördert, wobei Fluid vorzugsweise hinab durch den Finger 118A zur Zwischenschicht 104 strömt. Das Fluid strömt danach durch die Einlaßleitung 105A, die vorzugsweise unter dem Finger 118A positioniert ist, zur Grenzflächenschicht 102, wobei das Fluid einen Wärmetausch mit der Wärmequelle 99 durchmacht. Das Fluid bewegt sich entlang der Mikrokanäle 110, wie dies in 3B gezeigt ist, obwohl sich das Fluid in irgendeiner anderen Richtung entlang der Grenzflächenschicht 102 bewegen kann. Die erwärmte Flüssigkeit bewegt sich danach nach oben durch die Leitung 105B zum Auslaßfinger 120A. In ähnlicher Weise strömt Fluid hinab in der Z-Richtung durch Finger 118E und 118F zur Grenzflächenschicht 104. Das Fluid strömt danach durch die Einlaßleitung 105C hinab in der Z-Richtung zur Grenzflächenschicht 102. Das erwärmte Fluid bewegt sich danach hinauf in der Z-Richtung von der Grenzflächenschicht 102 durch die Auslaßleitung 105D zu den Auslaßfinger 120E und 120F. Der Wärmetauscher 100 entfernt das erwärmte Fluid in der Verteilerschicht 106 über die Auslaßfinger 120, wobei die Auslaßfinger 120 mit dem Auslaßkanal 122 in Verbindung stehen. Der Auslaßkanal 122 läßt Fluid aus dem Wärmetauscher vorzugsweise durch eine Auslaßöffnung 109 strömen.
Es wird bevorzugt, daß die Zulauf- und Ablaufleitungen 105 auch direkt oder nahezu direkt über den entsprechenden Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten positioniert sind, um Fluid auf Hot-Spots in der Wärmequelle 99 direkt anzuwenden. Zusätzlich ist jeder Auslaßfinger 120 vorzugsweise derart gestaltet, daß er am dichtesten an einem jeweiligen Einlaßfinger 119 für ein bestimmtes Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet zur Minimierung von Druckabfall dazwischen positionierbar ist. Somit tritt Fluid in die Grenzflächenschicht 102 über den Einlaßfinger 118 und bewegt es sich über mindestens die Strecke entlang der Unterseite 103 der Grenzflächenschicht 102, bevor es aus der Grenzflächenschicht 102 zum Auslaßfinger 120 austritt. Es ist ersichtlich, daß das Ausmaß der Strecke, über die sich das Fluid entlang der Unterseite 103 bewegt, in adäquater Weise Wärme entfernt, die von der Wärmequelle 99 erzeugt wird, ohne ein unnötiges Maß von Druckabfall zu erzeugen. Wie in den 3A und 3B gezeigt ist, sind zusätzlich die Ecken in den Fingern 118, 120 vorzugsweise derart gebogen, daß sie einen Druckabfall des entlang der Finger 118 strömenden Fluids reduzieren.
Für einen Fachmann auf dem Gebiet ist ersichtlich, daß die Gestaltung der in den 3A und 3B gezeigten Verteilerschicht 106 nur als Beispiel dient. Die Gestaltung der Kanäle 116 und Finger 118 in der Verteilerschicht 106 hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, die, ohne aber darauf beschränkt zu sein, die Orte der Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiete, die Menge von Strömung zu und von den Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten sowie die Menge von Wärme, die von der Wärmequelle in den Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten erzeugt wird, enthalten. Zum Beispiel enthält eine mögliche Konfiguration der Verteilerschicht 106 ein ineinandergreifendes Muster von parallelen Einlaß- und Auslaßfingern, die entlang der Breite der Verteilerschicht abwechselnd angeordnet sind, wie dies in den 4–7A gezeigt und unten beschrieben ist. Nichtsdestotrotz ist jede andere Gestaltung von Kanälen 116 und Fingern 118 vorgesehen.
4 stellt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Verteilerschicht 406 entsprechend dem Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die Verteilerschicht 406 in 4 enthält eine Vielzahl von geflochtenen oder ineinandergreifenden parallelen Fluidfingern 411, 412, die ein Einphasen- und/oder Zweiphasenfluid zur Grenzflächenschicht 402 zirkulieren lassen, ohne zuzulassen, daß ein wesentlicher Druckabfall im Wärmetauscher 400 und im System 30 (2A) auftritt. Wie in 8 gezeigt ist, sind die Einlaßfinger 411 mit den Auslaßfingern 412 abwechselnd angeordnet. Jedoch ist für einen Fachmann auf dem Gebiet erkennbar, daß eine bestimmte Anzahl Einlaß- oder Auslaßfingern benachbart zueinander angeordnet werden kann und somit nicht auf die in 4 gezeigte alternierende Konfiguration begrenzt ist. Zusätzlich sind die Finger alternativ derart gestaltet, daß ein paralleler Finger von einem weiteren parallelen Finger abzweigt oder damit verbunden ist. Somit ist es möglich, viel mehr Einlaßfinger als Auslaßfinger und umgekehrt zu haben.
Die Einlaßfinger oder -durchgänge 411 führen das in den Wärmetauscher eintretende Fluid zur Grenzflächenschicht 402, und die Auslaßfinger oder -durchgänge 412 entfernen das Fluid aus der Grenzflächenschicht 402, das dann den Wärmetauscher 400 verläßt. Die gezeigte Gestaltung der Verteilerschicht 406 läßt das Fluid in die Grenzflächenschicht 402 eintreten und sich über eine sehr kurze Strecke in der Grenzflächenschicht 402 bewegen, bevor es in den Auslaßdurchgang 412 eintritt. Die wesentliche Abnahme der Länge, über die sich das Fluid entlang der Grenzflächenschicht 402 bewegt, senkt den Druckabfall im Wärmetauscher 400 und im System 30 (2A) wesentlich.
Wie in den 4–5 gezeigt ist, enthält die alternative Verteilerschicht 406 einen Durchgang 414, der mit zwei Einlaßdurchgängen 411 in Verbindung steht und dorthin Fluid liefert. Wie in den 8–9 gezeigt ist, enthält die Verteilerschicht 406 drei Auslaßdurchgänge 412, die mit dem Durchgang 418 in Verbindung stehen. Die Durchgänge 414 in der Verteilerschicht 406 weisen eine flache Unterseite auf, die das Fluid zu den Fingern 411, 412 leitet. Alternativ weist der Durchgang 414 eine leichte Neigung auf, die beim Leiten des Fluids zu den ausgewählten Fluiddurchgängen 411 hilft. Alternativ enthält der Einlaßdurchgang 414 ein oder mehrere Löcher in seiner Unterseite, was einen Teil des Fluids hinab zur Grenzflächenschicht 402 strömen läßt. In ähnlicher Weise weist der Durchgang 418 in der Verteilerschicht eine flache Unterseite auf, die das Fluid enthält und das Fluid zur Öffnung 408 leitet. Alternativ weist der Durchgang 418 eine leichte Neigung auf, die beim Leiten des Fluids zu ausgewählten Auslaßöffnungen 408 hilft. Zusätzlich weisen die Durchgänge 414, 418 eine Abmessung in der Breite von näherungsweise 2 Millimetern auf, obwohl irgendwelche anderen Abmessungen in der Breite alternativ vorgesehen sind.
Die Durchgänge 414, 418 stehen mit Öffnungen 408, 409 in Verbindung, wobei die Öffnungen mit den Fluidleitungen 38 im System 30 (2A) gekoppelt sind. Die Verteilerschicht 406 enthält horizontal gestaltete Fluidöffnungen 408, 409. Alternativ enthält die Verteilerschicht 406 vertikal und/oder diagonal gestaltete Fluidöffnungen 408, 409, wie dies unten erörtert ist, obwohl dies nicht in 4 – 7 gezeigt ist. Alternativ enthält die Verteilerschicht 406 keinen Durchgang 414. Somit wird Fluid direkt zu den Fingern 411 von den Öffnungen 408 geliefert. Wiederum alternativ enthält die Verteilerschicht 411 keinen Durchgang 418, wodurch Fluid in den Fingern 412 aus dem Wärmetauscher 400 durch Öffnungen 408 direkt herausströmt. Es ist ersichtlich, daß, obwohl zwei Öffnungen 408 in Verbindung mit den Durchgängen 414, 418 gezeigt sind, irgendeine andere Anzahl von Öffnungen alternativ verwendet werden kann.
Die Einlaßdurchgänge 411 weisen Abmessungen auf, die Fluid zur Grenzflächenschicht gehen lassen, ohne einen großen Druckabfall entlang der Durchgänge 411 und des Systems 30 (2A) zu erzeugen. Die Einlaßdurchgänge 411 weisen eine Abmessung in der Breite im Bereich auf, der 0,25–5,00 Millimeter einschließt, obwohl andere Abmessungen in der Breite alternativ vorgesehen sind. Zusätzlich weisen die Einlaßdurchgänge 411 eine Abmessung in der Länge im Bereich auf, der 0,5 Millimeter bis das Dreifache der Länge der Wärmequelle enthält. Alternativ sind andere Längenabmessungen vorgesehen. Wie oben angegeben, erstrecken sich zusätzlich die Einlaßdurchgänge 411 hinab zu den oder etwas über der Höhe der Mikrokanäle 410, so daß Fluid zu den Mikrokanälen direkt geleitet wird. Die Einlaßdurchgänge 411 weisen eine Abmessung in der Höhe im Bereich auf, der 0,25–5,00 Millimeter einschließt. Es ist für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, daß sich die Durchgänge 411 nicht hinab zu den Mikrokanälen 410 erstrecken und daß irgendwelche anderen Abmessungen in der Höhe alternativ vorgesehen sind. Es ist für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, daß, obwohl die Einlaßdurchgänge 411 dieselben Abmessungen aufweisen, es vorgesehen ist, daß die Einlaßdurchgänge 411 alternativ unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Zusätzlich sind die Einlaßdurchgänge 411 alternativ nicht periodisch, so daß sie veränderliche Breiten, Querschnittsabmessungen und/oder Abstände zwischen benachbarten Fingern aufweisen. Insbesondere weist der Durchgang 411 Gebiete mit einer größeren Breite oder Tiefe sowie Gebiete mit geringeren Breiten und Tiefen entlang seiner Länge auf. Die veränderten Abmessungen ermöglichen, daß mehr Fluid zu vorab festgelegten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten in der Grenzflächenschicht 402 durch breitere Abschnitte zugeführt wird, während eine Strömung zu Warm-Spot-Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten durch die engen Abschnitte eingeschränkt wird.
Zusätzlich weisen die Auslaßdurchgänge 412 Abmessungen auf, die Fluid sich zur Grenzflächenschicht bewegen lassen, ohne einen großen Druckabfall entlang der Durchgänge 412 so wie des Systems 30 (2A) zu erzeugen. Die Auslaßdurchgänge 412 weisen eine Abmessung in der Breite im Bereich auf, der 0,25–5,00 Millimeter einschließt, obwohl irgendwelche anderen Abmessungen in der Breite alternativ vorgesehen sind. Zusätzlich weisen die Auslaßdurchgänge 412 eine Abmessung in der Länge im Bereich auf, der 0,5 Millimeter bis das Dreifache der Länge der Wärmequelle einschließt. Zusätzlich erstrecken sich die Auslaßdurchgänge 412 hinab zur Höhe der Mikrokanäle 410, so daß das Fluid leicht nach oben in den Auslaßdurchgängen 412 strömt, nachdem es entlang den Mikrokanälen 410 horizontal geflossen ist. Die Einlaßdurchgänge 411 weisen eine Abmessung in der Höhe im Bereich auf, der 0,25–5,00 Millimeter einschließt, obwohl irgendwelche anderen Abmessungen in der Höhe alternativ vorgesehen sind. Es ist für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, daß, obwohl die Auslaßdurchgänge 412 dieselben Abmessungen aufweisen, vorgesehen ist, daß die Auslaßdurchgänge 412 alternativ andere Abmessungen aufweisen. Wiederum weist der Einlaßdurchgang 412 alternativ veränderliche Breiten, Querschnittsabmessungen und/oder Abstände zwischen benachbarten Fingern auf.
Die Einlaß- und Auslaßdurchgänge 411, 412 sind segmentiert und voneinander verschieden, wie dies in den 4 und 5 gezeigt ist, wodurch Fluid in den Durchgängen sich nicht miteinander vermischt. Wie in 8 gezeigt ist, sind insbesondere zwei Auslaßdurchgänge entlang der Außenkanten der Verteilerschicht 406 angeordnet und ist ein Auslaßdurchgang 412 in der Mitte der Verteilerschicht 406 angeordnet. Zusätzlich sind zwei Einlaßdurchgänge 411 auf benachbarten Seiten des mittleren Auslaßdurchgangs 412 ausgeführt. Diese besondere Ausführung verursacht, daß in die Grenzflächenschicht 402 eintretendes Fluid sich über die kürzeste Strecke in der Grenzflächenschicht 402 bewegt, bevor es aus der Grenzflächenschicht 402 durch den Auslaßdurchgang 412 herausströmt. Jedoch ist für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, daß die Einlaßdurchgänge und Auslaßdurchgänge in irgendeiner anderen geeigneten Konfiguration positioniert werden können und sie somit nicht auf die in der vorliegenden Beschreibung gezeigte und beschriebene Gestaltung beschränkt ist. Die Anzahl von Einlaß- und Auslaßfingern 411, 412 beträgt mehr als drei in der Verteilerschicht 406, aber weniger als 10 pro Zentimeter über die Verteilerschicht 406. Es ist auch für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, daß irgendeine andere Anzahl von Einlaßdurchgängen und Auslaßdurchgängen verwendet werden kann und sie somit nicht auf die in der vorliegenden Beschreibung gezeigten und beschriebenen Anzahl beschränkt ist.
Die Verteilerschicht 406 ist mit der Zwischenschicht (nicht gezeigt) gekoppelt, wobei die Grenzfläche (nicht gezeigt) mit der Grenzflächenschicht 402 gekoppelt ist, um einen Dreischichten-Wärmetauscher 400 zu bilden. Die hierin erörterte Zwischenschicht bezieht sich auf oben in der in 3B gezeigte Ausführungsform. Die Verteilerschicht 406 ist alternativ mit der Grenzflächenschicht 402 gekoppelt und über der Grenzflächenschicht 402 positioniert, um einen Zweischichten-Wärmetauscher 400 zu bilden, wie er in 7A gezeigt ist. 6A–6C stellen Schemata der mit der Grenzflächenschicht 402 gekoppelten bevorzugten Verteilerschicht 406 im Zweischichten-Wärmetauscher im Querschnitt dar. Speziell stellt 6A den Querschnitt des Wärmetauschers 400 entlang der Linie A-A in 5 dar. Zusätzlich stellt 6B den Querschnitt des Wärmetauschers 400 entlang der Linie B-B dar und stellt 6C den Querschnitt des Wärmetauschers 400 entlang der Linie C-C in 5 dar. Wie oben angegeben, erstrecken sich die Einlaß- und die Auslaßdurchgänge 411, 412 von der Oberseite zur Unterseite der Verteilerschicht 406. Wenn die Verteilerschicht 406 und die Grenzflächenschicht 402 miteinander gekoppelt sind, befinden sich die Einlaß- und Auslaßdurchgänge 411, 412 an oder etwas über der Höhe der Mikrokanäle 410 in der Grenzflächenschicht 402. Diese Gestaltung bewirkt, daß das Fluid aus den Einlaßdurchgängen 411 von den Durchgängen 411 durch die Mikrokanäle 410 leicht strömt. Zusätzlich bewirkt diese Gestaltung, daß durch die Mikrokanäle strömendes Fluid leicht nach oben durch die Auslaßdurchgänge 412 strömt, nachdem es durch die Mikrokanäle 410 geflossen ist.
In der alternativen Ausführungsform ist die Zwischenschicht 104 (3B) zwischen der Verteilerschicht 406 und der Grenzflächenschicht 402 positioniert, obwohl dies nicht in den Figuren gezeigt ist. Die Zwischenschicht 104 (3B) leitet Fluidströmung zu gewünschten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten in der Grenzflächenschicht 402. Zusätzlich kann die Zwischenschicht 104 (3B) verwendet werden, um für eine gleichförmige Strömung von Fluid zu sorgen, das in die Grenzflächenschicht 402 eintritt. Auch wird die Zwischenschicht 104 verwendet, um das Fluid zu Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten in der Grenzflächenschicht 402 zu liefern und Hot Spots geeignet zu kühlen und Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle 99 zu erzeugen. Die Einlaß- und Auslaßdurchgänge 411, 412 sind in der Nähe oder über Hot Spots in der Wärmequelle 99 positioniert, um die Hot Spots geeignet zu kühlen, obwohl dies nicht notwendig ist.
7A stellt eine auseinandergezogene Ansicht der alternativen Verteilerschicht 406 mit einer alternativen Grenzflächenschicht 102 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Vorzugsweise enthält die Grenzflächenschicht 102 durchgehende Anordnungen von Mikrokanalwänden 110, wie dies in 3B gezeigt ist. Ähnlich wie bei der in 3B gezeigten bevorzugten Verteilerschicht 106 tritt Fluid im allgemeinen Betrieb in die Verteilerschicht 106 an Fluidöffnung 408 und bewegt es sich durch den Durchgang 414 und in Richtung auf die Fluidfinger oder -durchgänge 411. Das Fluid tritt in die Öffnung der Einlaßfinger 411 und strömt entlang der Länge der Finger 411 in der X-Richtung, wie dies durch die Pfeile gezeigt ist. Zusätzlich strömt das Fluid hinab in der Z-Richtung zur Grenzflächenschicht 402, die unter der Verteilerschicht 406 positioniert ist. Wie in 7A gezeigt ist, läuft das Fluid in der Grenzflächenschicht 402 entlang der Unterseite in den X- und Y-Richtungen der Grenzflächenschicht 402 durch und führt es Wärmeaustausch mit der Wärmequelle 99 durch. Das erwärmte Fluid verläßt die Grenzflächenschicht 402, indem es nach oben in der Z-Richtung über die Auslaßfinger 412 strömt, wobei die Auslaßfinger 412 das erwärmte Fluid zum Durchgang 418 in der Verteilerschicht 406 entlang der X-Richtung leiten. Das Fluid strömt danach entlang des Durchgangs 418 und verläßt den Wärmetauscher durch Herausströmen durch die Öffnung 409.
Wie in 7A gezeigt ist, enthält die Grenzflächenschicht eine Reihe von Vertiefungen 416, die zwischen Gruppen von Mikrokanälen 410 angeordnet sind, die beim Leiten von Fluid zu und von den Durchgängen 411, 412 helfen. Genauer gesagt sind die Vertiefungen 416A direkt unter den Einlaßdurchgängen 411 der alternativen Verteilerschicht 406 angeordnet, wodurch in die Grenzflächenschicht 402 über die Einlaßdurchgänge 411 eintretendes Fluid zu den Mikrokanälen benachbart zu den Vertiefungen 416A direkt geleitet werden. Somit ermöglichen die Vertiefungen 416A, daß Fluid direkt in spezielle vorgesehene Strömungswege von den Einlaßdurchgängen 411 geleitet wird, wie dies in 5 gezeigt ist. In ähnlicher Weise enthält die Grenzflächenschicht 402 Vertiefungen 416B, die direkt unter den Auslaßdurchgängen 412 in der Z-Richtung angeordnet sind. Somit wird Fluid, das horizontal entlang der Mikrokanäle 410 in Richtung auf die Auslaßdurchgänge strömt, horizontal zu den Vertiefungen 416B und vertikal zum Auslaßdurchgang 412 über den Vertiefungen 416B geleitet.
6A stellt den Querschnitt des Wärmetauschers 400 mit der Verteilerschicht 406 und der Grenzflächenschicht 402 dar. Genauer gesagt zeigt 6A die mit den Auslaßdurchgängen 412 durchflochtenen Einlaßdurchgänge 412, wodurch Fluid die Einlaßdurchgänge 411 hinab und die Auslaßdurchgänge 412 hinauf strömt. Wie in 6A gezeigt ist, fließt zusätzlich das Fluid horizontal durch die Mikrokanalwände 410, die zwischen den Einlaßdurchgängen und Auslaßdurchgängen angeordnet und durch die Vertiefungen 416A, 416B getrennt sind. Alternativ sind die Mikrokanalwände durchgehend (3B) und nicht durch die Vertiefungen getrennt. Wie in 6A gezeigt ist, weist einer oder weisen beide der Einlaß- und Auslaßdurchgänge 411, 412 vorzugsweise eine gekrümmte Seite 420 an deren Enden am Ort in der Nähe der Vertiefungen 416 auf. Die gekrümmte Oberfläche 420 lenkt den Durchgang 411 hinabströmendes Fluid in Richtung auf die Mikrokanäle 410, die benachbart zum Durchgang 411 angeordnet sind. Somit wird in die Grenzflächenschicht 102 eintretendes Fluid leichter in Richtung auf die Mikrokanäle 410 gelenkt, statt daß es direkt zur Vertiefung 416A strömt. In ähnlicher Weise hilft die gekrümmte Seite 420 in den Auslaßdurchgängen 412 beim Lenken von Fluid aus den Mikrokanälen 410 zum äußeren Durchgang 412.
Wie in 7B gezeigt ist, enthält die Grenzflächenschicht 402' in einer alternativen Ausführungsform die Einlaßdurchgänge 411' und Auslaßdurchgänge 412', die oben in Bezug auf die Verteilerschicht 406 (8–9) erörtert wurden. In der alternativen Ausführungsform wird das Fluid direkt zur Grenzflächenschicht 402' von der Öffnung 408' befördert. Das Fluid strömt entlang des Durchgangs 414' in Richtung auf die Einlaßdurchgänge 411'. Das Fluid durchläuft danach seitlich entlang den Gruppen von Mikrokanälen 410' und macht einen Wärmeaustausch mit der Wärmequelle (nicht gezeigt) mit und strömt zu den Auslaßdurchgängen 412'. Das Fluid fließt danach entlang den Auslaßdurchgängen 412' zu Durchgang 418', wobei das Fluid die Grenzflächenschicht 402' über die Öffnung 409' verläßt. Die Öffnungen 408', 409' sind in der Grenzflächenschicht 402' gestaltet und alternativ in der Verteilerschicht 406 (7A) gestaltet.
Es ist für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, daß, obwohl in der vorliegenden Anmeldung es so gezeigt ist, daß alle Wärmetauscher horizontal arbeiten, der Wärmetauscher alternativ in einer vertikalen Position arbeitet. Während des Betriebs in der vertikalen Position sind die Wärmetauscher alternativ derart gestaltet, daß jeder Einlaßdurchgang über einem benachbarten Auslaßdurchgang angeordnet ist. Somit tritt Fluid durch die Einlaßdurchgänge in die Grenzflächenschicht und wird es natürlich zu einem Auslaßdurchgang geleitet. Es ist auch ersichtlich, daß irgendeine andere Gestaltung der Verteilerschicht und Grenzflächenschicht alternativ verwendet wird, um den Wärmetauscher in einer vertikalen Position arbeiten zu lassen.
Die 8A–8C stellen Diagramme von einer weiteren alternativen Ausführungsform des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung in Draufsicht dar. Genauer gesagt stellt 8A ein Diagramm einer alternativen Verteilerschicht 206 gemäß der vorliegenden Erfindung in Draufsicht dar. 8B und 8C stellen eine Draufsicht von einer Zwischenschicht 204 und Grenzflächenschicht 202 von oben dar. Zusätzlich stellt 9A einen Dreischichten-Wärmetauscher dar, der die alternative Verteilerschicht 206 verwendet, während 9B einen Zweischichten-Wärmetauscher darstellt, der die alternative Verteilerschicht 206 verwendet.
Wie in den 8A und 9A gezeigt ist, enthält die Verteilerschicht 206 eine Vielzahl von Fluidöffnungen 208, die horizontal und vertikal gestaltet sind. Alternativ sind die Fluidöffnungen 208 diagonal oder in irgendeiner anderen Richtung in Bezug auf die Verteilerschicht 206 positioniert. Die Fluidöffnungen 208 sind an ausgewählten Orten in der Verteilerschicht 206 plaziert, um Fluid zu den vorab festgelegten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten im Wärmetauscher 200 effektiv zuzuführen. Die vielfachen Fluidöffnungen 208 liefern einen wesentlichen Vorteil, da Fluid aus einer Fluidöffnungen zu einem bestimmten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet direkt zugeführt werden kann, ohne wesentlich zum Druckabfall für den Wärmetauscher 200 beizutragen. Zusätzlich sind die Fluidöffnungen 208 auch in der Verteilerschicht 206 derart positioniert, daß Fluid in den Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten sich zumindest über die Strecke zur Austrittsöffnung 208 bewegen kann, so daß das Fluid Gleichförmigkeit erzielt, während ein minimaler Druckabfall zwischen den Einlaß- und Auslaßöffnungen 208 aufrechterhalten wird. Zusätzlich hilft die Verwendung der Verteilerschicht 206 bei der Stabilisierung von Zweiphasenströmung im Wärmetauscher 200, während gleichförmige Strömung über die Grenzflächenschicht 202 gleichmäßig verteilt wird. Man sollte beachten, daß mehr als eine Verteilerschicht 206 alternativ im Wärmetauscher 200 enthalten ist, wobei eine Verteilerschicht 206 das Fluid in den Wärmetauscher 200 und dort heraus lenkt und die andere Verteilerschicht (nicht gezeigt) die Fluidzirkulationsgeschwindigkeit zum Wärmetauscher 200 steuert. Alternativ lassen alle der Vielzahl der Verteilerschichten 206 Fluid zu ausgewählten korrespondierenden Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten in der Grenzflächenschicht 202 zirkulieren.
Die alternative Verteilerschicht 206 weist seitliche Abmessungen auf, die den Abmessungen der Grenzflächenschicht nahezu entsprechen. Zusätzlich weist die Verteilerschicht 206 dieselben Abmessungen der Wärmequelle 99 auf. Alternativ ist die Verteilerschicht 206 größer als die Wärmequelle 99. Die vertikalen Abmessungen der Verteilerschicht 206 befinden sich im Bereich von 0,1 bis 10 Millimeter. Zusätzlich liegen Löcher in der Verteilerschicht 206, die die Fluidöffnungen 208 aufnehmen, im Bereich zwischen 1 Millimeter und der gesamten Breite oder Länge der Wärmequelle 99.
11 stellt eine gebrochene perspektivische Ansicht eines Dreischichten-Wärmetauschers 200 mit der alternativen Verteilerschicht 200 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Wie in
11 gezeigt ist, ist der Wärmetauscher 200 in separate Gebiete in Abhängigkeit von der Menge von Wärme, die entlang des Körpers der Wärmequelle 99 erzeugt wird, unterteilt. Die unterteilten Gebiete sind durch die vertikale Zwischenschicht 204 und/oder Mikrokanalwandeinrichtungen 210 in der Grenzflächenschicht 202 getrennt. Jedoch ist für einen Fachmann ersichtlich, daß die in 11 gezeigte Anordnung nicht auf die gezeigte Konfiguration beschränkt ist und lediglich beispielhaft ist.
Wie in 3 gezeigt ist, weist die Wärmequelle 99 einen Hot Spot am Ort A und einen Warm Spot, Ort B auf, wobei der Hot Spot am Ort A mehr Wärme als der Warm Spot am Ort B erzeugt. Es ist ersichtlich, daß die Wärmequelle 99 mehr als einen Hot Spot und Warm Spot an irgendeinem Ort zu irgendeinem bestimmten Zeitpunkt aufweisen kann. Da der Ort A ein Hot Spot ist und mehr Wärme am Ort A auf die Grenzflächenschicht 202 über dem Ort A (in 11 als ein Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet A gekennzeichnet) übergeht, wird mehr Fluid und/oder eine höhere Flüssigkeitsmenge zum Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet A im Wärmetauscher 200 geliefert, um den Ort A geeignet zu kühlen. Es ist ersichtlich, daß, obwohl das Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet B größer als das Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet A dargestellt ist, die Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiete A und B sowie irgendwelche anderen Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiete im Wärmetauscher 200 irgendeine Größe und/oder Gestaltung in Bezug zueinander aufweisen können.
Wie in 11 gezeigt ist, tritt alternativ das Fluid in den Wärmetauscher über Fluidöffnungen 208A und wird es zum Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet A gelenkt, indem es entlang der Zwischenschicht 204 zu den Zulaufleitungen 205A strömt. Das Fluid strömt danach in die Zulaufleitungen 205A hinab in der Z-Richtung in das Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet A der Grenzflächenschicht 202. Das Fluid strömt zwischen den Mikrokanälen 210A, wodurch Wärme vom Ort A auf das Fluid durch Leitung über die Grenzflächenschicht 202 übergeht. Das erwärmte Fluid strömt entlang der Grenzflächenschicht 202 im Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet A in Richtung auf die Austrittsöffnung 209A, wo das Fluid den Wärmetauscher 200 verläßt. Es ist für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, daß irgendeine Anzahl von Einlaßöffnungen 208 und Austrittsöffnungen 209 für ein bestimmtes Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet oder eine Gruppe von Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten verwendet wird. Obwohl die Austrittsöffnung 209A in der Nähe der Grenzflächenschicht 202A gezeigt ist, ist zusätzlich die Austrittsöffnung 209A alternativ an irgendeinem anderen Ort vertikal positioniert, einschließlich, ohne aber darauf beschränkt zu sein, der Verteilerschicht 209B.
In ähnlicher Weise weist in dem in 11 gezeigten Beispiel die Wärmequelle 99 einen Warm Spot am Ort B auf, der weniger Wärme als der Ort A der Wärmequelle 99 erzeugt. Durch die Öffnung 208B eintretendes Fluid wird zum Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet B gelenkt, indem es entlang der Zwischenschicht 204B zu den Zulaufleitungen 205B strömt. Das Fluid strömt danach die Zulaufleitungen 205 hinab in der Z-Richtung in das Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet B der Grenzflächenschicht 202. Das Fluid strömt zwischen den Mikrokanälen 210 in den X- und Y-Richtungen, wodurch von der Wärmequelle am Ort B erzeugte Wärme in das Fluid übertragen wird. Das erwärmte Fluid strömt entlang der gesamten Grenzflächenschicht 202B im Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet B hinauf zu den Austrittsöffnungen 209B über die Ablaufleitungen 205B in der Zwischenschicht 204, wodurch das Fluid den Wärmetauscher 200 verläßt.
Wie in 9A gezeigt ist, enthält der Wärmetauscher 200 alternativ eine dampfdurchlässige Membran 214, die über der Grenzflächenschicht 202 positioniert ist. Die dampfdurchlässige Membran 214 befindet sich in abdichtbarem Kontakt mit den inneren Seitenwänden des Wärmetauschers 200. Die Membran ist derart gestaltet, daß sie mehrere kleine Löcher aufweist, die entlang der Grenzflächenschicht 202 erzeugten Dampf dort hindurch zur Auslaßöffnung 209 gehen lassen. Die Membran 214 ist auch so gestaltet, daß sie hydrophob ist, um flüssiges Fluid, das entlang der Grenzflächenschicht 202 strömt, am Gehen durch die Löcher der Membran 214 zu hindern. Mehr Details der dampfdurchlässigen Membran 114 sind in der parallel anhängigen U.S.-Anmeldung mit der Anmeldenummer 10/366,125 , die am 12. Februar 2004 angemeldet wurde und den Titel aufweist "VAPOR ESCAPE MICROCHANNEL HEAT EXCHANGER" erörtert, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Der Mikrokanal-Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung weist alternativ andere Gestaltungen auf, die oben nicht beschrieben sind. Zum Beispiel enthält der Wärmetauscher alternativ eine Verteilerschicht, die den Druckabfall im Wärmetauscher minimiert, indem sie separat abgedichtete Einlaß- und Auslaßlöcher aufweist, die zur Grenzflächenschicht führen. Somit strömt Fluid direkt zur Grenzflächenschicht durch Einlaßlöcher und macht sie Wärmeaustausch in der Grenzflächenschicht durch. Das Fluid tritt danach aus der Grenzflächenschicht, indem es direkt durch Auslaßlöcher strömt, die benachbart zu den Einlaßlöchern angeordnet sind. Diese poröse Konfiguration der Verteilerschicht minimiert die Größe der Strecke, über die das Fluid zwischen den Einlaß- und Auslaßöffnungen strömen muß, sowie maximiert die Aufteilung von Fluidströmung auf die vielfachen Löcher, die zur Grenzflächenschicht führen.
Die Details, wie der Wärmetauscher 100 sowie die einzelnen Schichten im Wärmetauscher 100 gefertigt und hergestellt werden, sind unten beschrieben. Die folgende Beschreibung gilt für die bevorzugten und alternativen Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung, obwohl auf den Wärmetauscher 100 in 3B und einzelne Schichten der Einfachheit halber ausdrücklich Bezug genommen wird. Es ist auch ersichtlich für einen Fachmann auf dem Gebiet, daß, obwohl die Fertigungs/Herstelleinzelheiten in Bezug auf die vorliegende Erfindung beschrieben werden, die Fertigungs- und Herstelleinzelheiten auch alternativ für herkömmliche Wärmetauscher sowie Zwei- und Dreischichten-Wärmetauscher gelten, die eine Fluideinlaßöffnung und eine Fluidauslaßöffnung verwenden, wie dies in den 1A–1C gezeigt ist.
Vorzugsweise weist die Grenzflächenschicht 102 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (Coefficient of Thermal Expansion (CTE)) auf, der demjenigen der Wärmequelle 99 ähnelt oder gleicht. Somit dehnt sich die Grenzflächenschicht 102 vorzugsweise entsprechend der Wärmequelle 99 aus und zieht sie sich zusammen. Alternativ weist das Material der Grenzflächenschicht 102 einen CTE auf, der sich vom CTE des Wärmequellenmaterials unterscheidet. Eine aus einem Material, wie zum Beispiel Silizium, hergestellte Grenzflächenschicht 102 weist einen CTE auf, der demjenigen der Wärmequelle 99 entspricht, und weist ausreichend Wänmeleitfähigkeit auf, um Wärme von der Wärmequelle 99 auf das Fluid geeignet zu übertragen. Jedoch werden andere Materialien alternativ in der Grenzflächenschicht 102 verwendet, die CTEs aufweisen, die der Wärmequelle 99 entsprechen.
Die Grenzflächenschicht 102 im Wärmetauscher 100 weist vorzugsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf um ausreichende Leitung zwischen der Wärmequelle 99 und Fluid, das entlang der Grenzflächenschicht 102 strömt, durchführen zu lassen, so daß sich die Wärmequelle 99 nicht überhitzt. Die Grenzflächenschicht 102 ist vorzugsweise aus einem Material mit einer hohen Leitfähigkeit von 100 W/m-K hergestellt. Jedoch ist für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, daß die Grenzflächenschicht 102 eine Wärmeleitfähigkeit von mehr oder weniger als 100 W/m-K aufweist und nicht darauf beschränkt ist.
Zur Erzielung der bevorzugten hohen Wärmeleitfähigkeit ist die Grenzflächenschicht vorzugsweise aus einem Halbleitersubstrat, wie zum Beispiel Silizium, hergestellt. Alternativ ist die Grenzflächenschicht aus irgendeinem anderen Material hergestellt, das, ohne aber darauf beschränkt zu sein, einkristalline dielektrische Materialien, Metalle, Aluminium, Nickel und Kupfer, Kovar, Graphit, Diamant, Verbundstoffe und irgendwelche geeigneten Legierungen einschließt. Ein alternatives Material der Grenzflächenschicht 102 ist ein gemustertes oder geformtes organisches Gitter.
Wie in 12 gezeigt ist, wird bevorzugt, daß die Grenzflächenschicht 102 mit einer Beschichtung 112 beschichtet ist, um das Material der Grenzflächenschicht 102 zu schützen sowie die Wärrmeaustauscheigenschaften der Grenzflächenschicht 102 zu verbessern. Insbesondere sorgt die Beschichtung 112 für einen chemischen Schutz, der gewisse chemische Wechselwirkungen zwischen dem Fluid und der Grenzflächenschicht 102 beseitigt. Zum Beispiel kann eine aus Aluminium hergestellte Grenzflächenschicht 102 vom Fluid, das damit in Kontakt gerät, geätzt werden, wodurch die Grenzflächenschicht 102 mit der Zeit beeinträchtigt würde. Die Beschichtung 112 aus einer dünnen Schicht Nickel, näherungsweise 25 Mikron, ist somit vorzugsweise über der Oberseite der Grenzflächenschicht 102 galvanisiert, um irgendwelche potentiellen Reaktionen chemisch zu beruhigen, ohne die Wärmeeigenschaften der Grenzflächenschicht 102 wesentlich zu verändern. Es ist ersichtlich, daß irgendein anderes Beschichtungsmaterial mit geeigneter Schichtdicke in Abhängigkeit vom/von den Material(ien) in der Grenzflächenschicht 102 vorgesehen ist.
Ferner ist das Beschichtungsmaterial 112 auf die Grenzflächenschicht 102 aufgebracht, um die Wärmeleitfähigkeit der Grenzflächenschicht 102 zu verbessern und ausreichend Wärmeaustausch mit der Wärmequelle 99, wie in 12 gezeigt, durchzuführen. Zum Beispiel kann eine Grenzflächenschicht 102 mit einer Metallbasis, die mit Kunststoff bedeckt ist, mit einer Schicht aus Nickel-Beschichtungsmaterial 112 auf der Oberseite des Kunststoffes thermisch verstärkt werden. Die Schicht aus Nickel weist eine Dicke von mindestens 25 Mikron in Abhängigkeit von den Abmessungen der Grenzflächenschicht 102 und der Wärmequelle 99 auf. Es ist ersichtlich, daß irgendein anderes Beschichtungsmaterial mit geeigneter Schichtdicke in Abhängigkeit vom/von den Material(ien) in der Grenzflächenschicht 102 vorgesehen ist. Das Beschichtungsmaterial 112 wird alternativ auf Material verwendet, das bereits hohe Wärmeleitfähigkeitseigenschaften aufweist, so daß das Beschichtungsmaterial die Wärmeleitfähigkeit des Materials erhöht. Das Beschichtungsmaterial 112 wird vorzugsweise auf die Unterseite 103 sowie die Mikrokanäle 110 der Grenzflächenschicht 102 aufgebracht, wie dies in 12 gezeigt ist. Alternativ wird das Beschichtungsmaterial 112 auf entweder der Unterseite 103 oder Mikrokanalwänden 110 aufgetragen. Das Beschichtungsmaterial 112 ist vorzugsweise aus einem Metall hergestellt, das, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Nickel und Aluminium einschließt. Jedoch ist das Beschichtungsmaterial 112 alternativ aus irgendeinem anderen wärmeleitfähigen Material hergestellt.
Die Grenzflächenschicht 102 ist vorzugsweise durch einen Ätzprozeß unter Verwendung eines Kupfermaterials ausgebildet, das mit einer dünnen Schicht Nickel zum Schützen der Grenzflächenschicht 102 beschichtet ist. Alternativ ist die Grenzflächenschicht 102 aus Aluminium, Siliziumsubstrat, Kunststoff oder irgendeinem anderen geeigneten Material hergestellt. Die Grenzflächenschicht 102, die aus Materialien mit schlechter Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist, ist auch mit dem geeigneten Beschichtungsmaterial beschichtet, um die Wärmeleitfähigkeit der Grenzflächenschicht 102 zu erhöhen. Ein Verfahren zur Galvanoformung der Grenzflächenschicht besteht darin, eine Keimschicht aus Chrom oder einem anderen geeigneten Material entlang der Unterseite 103 der Grenzflächenschicht 102 aufzubringen und eine elektrische Verbindung mit geeigneter Spannung an die Keimschicht anzulegen. Die elektrische Verbindung bildet somit eine Schicht aus wärmeleitfähigen Beschichtungsmaterial 112 auf der Oberseite der Grenzflächenschicht 102. Der Galvanoformungsprozeß bildet auch Einrichtungsabmessungen im Bereich von 10–100 Mikron. Die Grenzflächenschicht 102 ist durch einen Galvanoformungsprozeß, wie zum Beispiel gemustertes Galvanisieren gebildet. Zusätzlich ist die Grenzflächenschicht alternativ durch photochemisches Ätzen oder chemisches Fräsen, einzeln oder in Kombination, mit dem Galvanoformungsprozeß verarbeitet. Standardlithographiesätze zum chemischen Fräsen werden verwendet, um in die Grenzflächenschicht 102 Einrichtungen einzuarbeiten. Zusätzlich sind die Seitenverhältnisse und Toleranzen unter Verwendung von lasergestützten chemischen Fräsprozessen verbesserbar.
Die Mikrokanalwände 110 sind vorzugsweise aus Silizium hergestellt. Die Mikrokanalwände 110 sind alternativ aus irgendwelchen anderen Materialien hergestellt, die, ohne darauf beschränkt zu sein, Ornamentglas, Polymer und ein geformtes Polymergitter einschließen. Obwohl bevorzugt wird, daß die Mikrokanalwände 110 aus demselben Material wie dasjenige der Unterseite 103 der Grenzflächenschicht 102 hergestellt sind, sind die Mikrokanalwände 110 alternativ aus einem anderen Material als dasjenige des Rests der Grenzflächenschicht 102 hergestellt.
Es wird bevorzugt, daß die Mikrokanalwände 110 Wärmeleitfähigkeitseigenschaften von mindestens 20 W/m-K aufweisen. Alternativ weisen die Mikrokanalwände 110 Wärmeleitfähigkeitseigenschaften von mehr als 20 W/m-K auf. Es ist für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, daß die Mikrokanalwände 110 alternativ Wärmeleitfähigkeitseigenschaften von weniger als 20 W/m-K aufweisen, wobei Beschichtungsmaterial 112 auf die Mikrokanalwände 110, wie in 12 gezeigt, aufbracht ist, um die Wärmeleitfähigkeit der Wandeinrichtungen 110 zu erhöhen. Für Mikrokanalwände 110, die aus Materialien hergestellt sind, die bereits eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, weist die aufgebrachte Beschichtung 112 eine Dicke von mindestens 25 Mikron auf, die auch die Oberfläche der Mikrokanalwände 110 schützt. Für Mikrokanalwände 110, die aus Material hergestellt sind, das schlechte Wärmeleitfähigkeitseigenschaften aufweist, weist die Beschichtung 112 eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W/m-K auf und ist sie dicker als 25 Mikron. Es ist für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, daß andere Arten von Beschichtungsmaterialien sowie Dickenabmessungen vorgesehen sind.
Zur Gestaltung der Mikrokanalwände 110 derart, daß sie eine angemessene Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/m-K aufweisen, werden die Wände 110 mit dem Beschichtungsmaterial 112 (12), wie zum Beispiel Nickel oder ein anderes Metall, wie oben erörtert, durch Galvanoformung hergestellt. Zur Gestaltung der Mikrokanalwände 110 derart, daß sie eine geeignete Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W/m-K aufweisen, sind die Wände 110 mit Kupfer auf einer Keimschicht aus dünner Metallfolie galvanisiert. Alternativ sind die Mikrokanalwände 110 nicht mit dem Beschichtungsmaterial beschichtet.
Die Mikrokanalwände 110 sind vorzugsweise durch eine Heißprägetechnik ausgebildet, um ein hohes Seitenverhältnis der Kanalwände 110 entlang der Unterseite 103 der Grenzflächenschicht 102 zu erzielen. Die Mikrokanalwandeinrichtungen 110 sind alternativ als Siliziumstrukturen gefertigt, die auf einer Glasoberfläche angeordnet sind, wobei die Einrichtungen auf dem Glas in der gewünschten Gestaltung geätzt sind. Die Mikrokanalwände 110 sind alternativ durch eine Standardlithographietechnik, Präge- oder Schmiedeprozesse oder irgend ein anderes geeignetes Verfahren ausgebildet. Die Mikrokanalwände 110 sind alternativ separat von der Grenzflächenschicht 102 hergestellt und mit der Grenzflächenschicht 102 durch anodisches oder Epoxi-Bonden gekoppelt. Alternativ sind die Mikrokanaleinrichtungen 110 mit der Grenzflächenschicht 102 durch herkömmliche Galvanoformungstechniken, wie zum Beispiel Galvanisieren, gekoppelt.
Es gibt eine Vielzahl von Verfahren, die zur Herstellung der Zwischenschicht 104 verwendet werden können. Die Zwischenschicht ist vorzugsweise aus Silizium hergestellt. Es ist für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, daß irgendein anderes geeignetes Material vorgesehen ist, das, ohne darauf beschränkt zu sein, Glas- oder Laser-gemustertes Glas, Polymere, Metalle, Glas, Kunststoff, geformtes organisches Material oder irgendwelche Verbundstoffe davon einschließt. Vorzugsweise ist die Zwischenschicht 104 unter Verwendung von Plasmaätztechniken ausgebildet. Alternativ ist die Zwischenschicht 104 unter Verwendung einer chemischen Ätztechnik ausgebildet. Weitere alternative Verfahren schließen spannende Bearbeitung, Ätzen, Extrudieren und/oder Schmieden eines Metalls in die gewünschte Gestaltung ein. Die Zwischenschicht 104 ist alternativ durch Spritzgießen eines Kunststoffgitter in die gewünschte Gestaltung ausgebildet. Alternativ ist die Zwischenschicht 104 durch Laserbohren einer Glasplatte in die gewünschte Gestalt ausgebildet.
Die Verteilerschicht 106 ist durch eine Vielzahl von Verfahren hergestellt. Es wird bevorzugt, daß die Verteilerschicht 106 durch einen Spritzgießprozeß, der Kunststoff, Metall, Polymerverbundstoff oder irgendein anderes geeignetes Material verwendet, hergestellt ist, wobei jede Schicht aus demselben Material hergestellt ist. Wie oben diskutiert, ist alternativ jede Schicht aus einem anderen Material hergestellt. Die Verteilerschicht 106 ist alternativ unter Verwendung einer Technik mit bearbeitetem oder geätztem Metall hergestellt. Für einen Fachmann auf dem Gebiet ist ersichtlich, daß die Verteilerschicht 106 unter Verwendung irgendeines anderen geeigneten Verfahrens hergestellt ist.
Die Zwischenschicht 104 ist mit der Grenzflächenschicht 102 und Verteilerschicht 106 gekoppelt, um den Wärmetauscher 100 unter Verwendung einer Vielzahl von Verfahren zu bilden. Die Grenzflächenschicht 102, Zwischenschicht 104 und Verteilerschicht 106 sind vorzugsweise durch ein anodisches, adhäsives oder elektrisches Bondingverfahren miteinander gekoppelt. Die Zwischenschicht 104 ist alternativ in Einrichtungen der Verteilerschicht 106 und Grenzflächenschicht 102 integriert. Die Zwischenschicht 104 ist mit der Grenzflächenschicht 102 durch einen chemischen Bondingprozeß gekoppelt. Die Zwischenschicht 104 ist alternativ durch eine Heißpräge- oder Soft Lithographie-Technik, wobei eine Funkenerodier(wie EDM) oder Silizium-Vorlage (silicon master) verwendet wird, um die Zwischenschicht 104 zu prägen. Die Zwischenschicht 104 wird danach alternativ mit Metall oder einem anderen geeigneten Material galvanisiert, um die Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht 104, falls erforderlich, zu erhöhen.
Alternativ ist die Zwischenschicht 104 gemeinsam mit der Herstellung der Mikrokanalwände 110 in der Grenzflächenschicht 102 durch einen Spritzgießprozeß ausgebildet. Alternativ ist die Zwischenschicht 104 mit der Herstellung der Mikrokanalwände 110 durch irgendein anderes geeignetes Verfahren ausgebildet. Weitere Verfahren zur Ausbildung des Wärmetauschers schließen, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Löten, Fusion Bonding, eutektisches Bonding, Intermetallic Bonding und irgendeine andere geeignete Technik in Abhängigkeit von den Arten von Materialien, die in jeder Schicht verwendet werden, ein.
Ein weiteres alternatives Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 13 beschrieben. Wie in Bezug auf 13 diskutiert, enthält ein alternatives Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers den Bau einer Hartmaske, die aus einem Siliziumsubstrat als der Grenzflächenschicht gebildet ist (Schritt 500). Die Hartmaske ist aus Siliziumdioxid oder alternativ Spin-On-Glas hergestellt. Wenn die Hartmaske ausgebildet wird, wird eine Vielzahl von Unterkanälen in der Hartmaske ausgebildet, worin die Unterkanäle die Fluidwege zwischen den Mikrokanalwänden 110 bilden (Schritt 502). Die Unterkanäle werden durch irgendein geeignetes Verfahren, HF-Ätztechniken, chemisches Fräsen, Soft Lithography und Xenondifluoridätzen einschließend, ohne aber darauf beschränkt zu sein, gebildet. Zusätzlich muß genug Raum zwischen jedem Unterkanal sichergestellt werden, so daß Unterkanäle nebeneinander keine Brücke bilden. Danach wird Spin-On-Glas dann durch irgendein herkömmliches Verfahren über der Oberseite der Hartmaske aufgebracht, um die Zwischen- und Verteilerschichten zu bilden (Schritt 504). Im Anschluß daran werden die Zwischen- und Verteilerschichten durch ein Aushärteverfahren gehärtet (Schritt 506). Wenn die Zwischen- und Verteilerschichten vollständig ausgebildet und gehärtet sind, wird/werden eine oder mehrere Fluidöffnungen in der gehärteten Schicht ausgebildet (Schritt 508). Die Fluidöffnungen werden in die Verteilerschicht geätzt und alternativ gebohrt. Obwohl spezielle Verfahren zur Herstellung der Grenzflächenschicht 102, der Zwischenschicht 104 und Verteilerschicht 106 hierin erörtert sind, sind andere bekannte Verfahren, die auf dem Gebiet zur Herstellung des Wärmetauschers 100 bekannt sind, alternativ vorgesehen.
14 stellt eine alternative Ausführungsform eines Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Wie in 6 gezeigt ist, sind zwei Wärmetauscher 200, 200' mit einer Wärmequelle 99 gekoppelt. Genauer gesagt ist die Wärmequelle 99, wie zum Beispiel ein elektronisches Bauelement, mit einer Leiterplatte 96 gekoppelt und aufrecht positioniert, wobei jede Seite der Wärmequelle 99 potentiell freiliegt. Ein Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einer freiliegenden Seite der Wärmequelle 99 gekoppelt, wobei beide Wärmetauscher 200, 200' für maximale Kühlung der Wärmequelle 99 sorgen. Alternativ ist die Wärmequelle mit der Leiterplatte horizontal gekoppelt, wobei mehr als ein Wärmetauscher auf der Wärmequelle 99 (nicht gezeigt) gestapelt ist und jeder Wärmetauscher mit der Wärmequelle 99 elektrisch gekoppelt ist. Weitere Details bezüglich dieser Ausführungsform sind in der parallel anhängigen U.S.-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 10/072,137 , die am 7. Februar 2002 eingereicht wurde und den Titel "POWER CONDITIONING MODULE" aufweist, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird, gezeigt und beschrieben.
Wie in 14 gezeigt ist, ist der Wärmetauscher 200 mit zwei Schichten mit der linken Seite der Wärmequelle 99 gekoppelt und ist der Wärmetauscher 200' mit drei Schichten mit der rechten Seite der Wärmequelle 99 gekoppelt. Für einen Fachmann auf dem Gebiet ist ersichtlich, daß die bevorzugten oder alternativen Wärmetauscher mit den Seiten der Wärmequelle 99 gekoppelt sind. Es ist auch für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, daß die alternativen Ausführungsformen des Wärmetauschers 200' alternativ mit jeder Seite der Wärmequelle 99 gekoppelt sind. Die in 14 gezeigte alternative Ausführungsform läßt eine genauere Kühlung von Hot Spots der Wärmequelle 99 zu, indem Fluid auf die kühlen Hot Spots angewandt wird, die entlang der Dicke der Wärmequelle 99 vorhanden sind. Somit setzt die Ausführungsform in 14 geeignete Kühlung von Hot Spots in der Mitte der Wärmequelle 99 durch Austausch von Wärme an beiden Seiten der Wärmequelle 99 ein. Für einen Fachmann auf dem Gebiet ist ersichtlich, daß die in 14 gezeigte Ausführungsform mit dem Kühlsystem 30 in den 2A–2B verwendet wird, obwohl andere geschlossene Systeme vorgesehen sind.
Wie oben bemerkt, kann die Wärmequelle 99 Eigenschaften aufweisen, bei denen sich die Orte von einem oder mehreren Hot Spots aufgrund anderer Aufgaben ändern, die von der Wärmequelle 99 durchgeführt werden sollen. Zur geeigneten Kühlung der Wärmequelle 99 enthält das System 30 alternativ ein Meß- und Steuermodul 34 (2A–2B), das die Größe der Strömung und/oder Durchflußmenge von Fluid, das in den Wärmetauscher 100 eintritt, als Antwort auf eine Änderung des Ortes der Hot Spots dynamisch ändert.
Wie in 14 gezeigt ist, ist/sind insbesondere ein oder mehrere Sensoren 124 in jedem Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet im Wärmetauscher 200 und/oder alternativ in der Wärmequelle 99 an jedem potentiellen Hot-Spot-Ort angeordnet. Alternativ ist eine Vielzahl von Wärmequellen zwischen der Wärmequelle und dem Wärmetauscher und/oder im Wärmetauscher selbst gleichförmig plaziert. Das Steuermodul 38 (2A–2B) ist auch mit einem oder mehreren Ventilen im Kreis 30 gekoppelt, der die Fluidströmung im Wärmetauscher 100 steuert. Das oder mehrere Ventile sind in den Fluidleitungen positioniert, können aber alternativ an derswo positioniert sein. Die Vielzahl von Sensoren 124 ist mit dem Steuermodul 34 gekoppelt, wobei das Steuermodul 34 vorzugsweise stromaufwärts vom Wärmetauscher 100, wie in 2 gezeigt, plaziert ist. Alternativ ist das Steuermodul 34 an irgendeinem anderen Ort im geschlossenen System 30 plaziert.
Die Sensoren 124 liefern Information an das Steuermodul 34, die, ohne aber darauf beschränkt zu sein, die Durchflußmenge von Fluid, das im Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet strömt, Temperatur der Grenzflächenschicht 102 im Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet und/oder der Wärmequelle 99 und die Temperatur des Fluids einschließt. Unter Bezugnahme auf die Schemadarstellung in 14, liefern zum Beispiel an der Grenzfläche 124 positionierte Sensoren Information an das Steuermodul 34, das die Temperatur in einem bestimmten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet im Wärmetauscher zunimmt, während die Temperatur in einem bestimmten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet im Wärmetauscher 200' abnimmt. Als Antwort erhöht das Steuermodul 34 die Menge der Strömung zum Wärmetauscher 200 und senkt es die Menge von Strömung, die zum Wärmetauscher 200' geliefert werden. Alternativ ändert das Steuermodul 34 alternativ die Menge von Strömung zu einem oder mehreren Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten in einem oder mehreren Wärmetauschern als Antwort auf die von den Sensoren 118 empfangene Information. Obwohl die Sensoren 118 mit den zwei Wärmetauschern 200, 200' in 14 gezeigt sind, ist ersichtlich, daß die Sensoren 118 alternativ mit nur einem Wärmetauscher gekoppelt sind.
Die vorliegende Erfindung ist hinsichtlich spezieller Ausführungsformen beschrieben worden, die Details zur Erleichterung des Verständnisses der Prinzipien von Konstruktion und Betrieb der Erfindung enthalten. Genannte Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen und Details derselben soll nicht den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche einschränken. Für Fachleute auf dem Gebiet wird ersichtlich sein, daß Modifikationen an den Ausführungsformen, die zur Darstellung ausgewählt sind, vorgenommen werden können, ohne aus dem Geist und dem Schutzbereich der Erfindung zu gelangen.
Zusammenfassung
Wärmetauscher und Verfahren zur Herstellung, umfassend
eine Grenzschicht (102) zur Kühlung einer Wärmequelle, die gestaltet ist, um dort hindurch Fluid zu leiten, wobei die Grenzschicht eine geeignete Wärmeleitfähigkeit aufweist, und eine Verteilerschicht (106) zur Lieferung von Fluid zur Grenzschicht, worin die Verteilerschicht, gestaltet ist, um Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle vorzugsweise durch Kühlung von Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten zu erzielen. Eine Vielzahl von Fluidöffnungen, wie zum Beispiel eine Einlaßöffnung und Auslaßöffnung, ist am Wärmetauscher ausgebildet, wobei die Fluidöffnungen vertikal (118) und horizontal (105) gestaltet sind. Die Verteilerschicht führt Fluid zu einem vorab festgelegten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet in der Grenzschicht, wobei das Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet mit dem Hot Spot verbunden ist. Der Wärmetauscher enthält vorzugsweise eine Zwischenschicht, die zwischen den Grenzflächen- und Verteilerschichten positioniert ist und Fluid zum Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet optimal leitet.

Claims

Wärmetauscher umfassend: a. eine Grenzflächenschicht zur Kühlung einer Wärmequelle, worin die Grenzflächenschicht derart gestaltet ist, daß sie dort hindurch Fluid leitet, wobei die Grenzflächenschicht mit der Wärmequelle gekoppelt ist, und b. eine Verteilerschicht zum Zirkulierenlassen von Fluid zu und von der Grenzflächenschicht, worin die Verteilerschicht derart gestaltet ist, daß sie mindestens ein Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet in der Wärmequelle selektiv kühlt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerschicht derart gestaltet ist, daß Temperaturgleichförmigkeit an einem vorab festgelegten Ort in der Wärmequelle erzielt wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in einem Einphasenströmungszustand ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in einem Zweiphasenströmungszustand ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Fluids einen Übergang zwischen Ein- und Zweiphasenströmungszuständen in der Grenzflächenschicht durchmacht.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerschicht derart gestaltet ist, daß sie Kühlung von Hot Spots der Wärmequelle optimiert.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerschicht über der Grenzflächenschicht positioniert ist, wobei Fluid zwischen der Verteilerschicht und der Grenzflächenschicht strömt.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerschicht außerdem eine Vielzahl von Fluidzuführdurchgängen umfaßt, die über mindestens eine Dimension in der Verteilerschicht angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidzuführdurchgänge parallel angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Fluidzuführdurchgang nicht parallel zu einem anderen Fluidzuführdurchgang angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Vielzahl von Fluiddurchströmungskanälen zum Zirkulierenlassen von Fluid zu und von dem Wärmetauscher umfaßt, wobei mindestens einer der Vielzahl von Fluiddurchströmungskanälen mindestens eine Einlaßöffnung und mindestens eine Auslaßöffnung umfaßt.
Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Fluiddurchströmungskanälen Fluid zu einem oder mehreren der Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet zirkulieren läßt.
Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet von einem benachbarten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet abdichtbar getrennt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Vielzahl von Fluiddurchströmungskanälen vertikal gestaltet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Vielzahl von Fluiddurchströmungskanälen horizontal gestaltet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Vielzahl von Fluiddurchströmungskanälen mit der Verteilerschicht gekoppelt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Vielzahl von Fluidströmungskanäle mit der Grenzflächenschicht gekoppelt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Zwischenschicht mit einer Vielzahl von Leitungen zum Leiten von Fluid zwischen der Verteilerschicht und dem mindestens einen Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet umfaßt, wobei die Zwischenschicht zwischen der Grenzflächenschicht und der Verteilerschicht positioniert ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht mit der Grenzflächenschicht und der Verteilerschicht gekoppelt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht mit der Grenzflächenschicht und der Verteilerschicht integral ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Vielzahl von Leitungen mindestens eine veränderliche Dimension in der Zwischenschicht aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht darauf eine Beschichtung enthält, wobei die Beschichtung für eine geeignete Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/m-K sorgt.
Wärmetauscher nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einem Material auf Nickelbasis hergestellt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/m-K aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem eine Vielzahl von Säulen umfaßt, die in einem vorab festgelegten Muster entlang der Grenzflächenschicht ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht eine aufgerauhte Oberfläche aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht eine darauf angeordnete mikroporöse Struktur enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Vielzahl von Mikrokanälen umfaßt, die in einem vorab festgelegten Muster entlang der Grenzflächenschicht ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Mikrokanälen mit der Grenzflächenschicht gekoppelt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Mikrokanälen mit der Grenzflächenschicht integral ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Mikrokanälen darauf eine Beschichtung enthält, wobei die Beschichtung eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/m-K aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem mindestens einen Sensor zum Liefern von Information, die mit dem Betrieb der Wärmequelle verbunden ist, umfaßt, wobei der Sensor im wesentlichen proximal zum Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner ein mit dem mindestens einen Sensor gekoppeltes Steuermodul umfaßt, wobei das Steuermodul zur Steuerung von Fluidströmung in den Wärmetauscher als Antwort auf vom Sensor gelieferte Information dient.
Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Dampfaustrittsmembran umfaßt, die über der Grenzflächenschicht positioniert ist, wobei die Dampfaustrittsmembran Dampf dort hindurch zur mindestens einen Auslaßöffnung treten läßt, wobei die Dampfaustrittsmembran Fluid entlang der Grenzflächenschicht hält.
Wärmetauscher, umfassend: a. eine Grenzflächenschicht zur Kühlung einer Wärmequelle, wobei die Grenzflächenschicht mit der Wärmequelle gekoppelt und derart gestaltet ist, daß sie dort hindurch Fluid leitet, und b. eine Verteilerschicht zum Liefern von Fluid zur Grenzflächenschicht, wobei die Verteilerschicht eine Vielzahl von Fingern enthält, die derart gestaltet sind, daß sie einen Druckabfall im Wärmetauscher minimieren.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in einem Einphasenströmungszustand ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in einem Zweiphasenströmungszustand ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Fluids einen Übergang zwischen Ein- und Zweiphasenströmungszuständen in der Grenzflächenschicht durchmacht.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerschicht derart gestaltet ist, daß sie mindestens ein Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet in der Wärmequelle kühlt.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerschicht derart gestaltet ist, daß sie für wesentliche Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle sorgt.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht darauf eine Beschichtung enthält, wobei die Beschichtung für eine geeignete Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/m-K sorgt.
Wärmetauscher nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einem Material auf Nickelbasis hergestellt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/m-K aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Vielzahl von Fingern nicht parallel zu einem anderen Finger in der Verteilerschicht ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Fingern parallel zueinander ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Finger dieselben Längen- und Breitenabmessungen aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Finger eine andere Abmessung als die restlichen Finger aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Fingern nichtperiodisch in mindestens einer Dimension in der Verteilerschicht angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Vielzahl von Fingern mindestens eine veränderliche Abmessung entlang einer Länge der Verteilerschicht aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerschicht mehr als drei und weniger als 10 parallele Finger enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Vielzahl von mit der Verteilerschicht gekoppelten Fluiddurchströmungskanälen umfaßt, wobei die Fluiddurchströmungskanäle Fluid zum Wärmetauscher liefern und Fluid davon entfernen.
Wärmetauscher nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Fluiddurchsströmungskanal Fluid zu mindestens einem vorab festgelegten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet in der Grenzflächenschicht zirkulieren läßt.
Wärmetauscher nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Fluiddurchströmungskanal in der Vielzahl vertikal in Bezug auf die Wärmequelle gestaltet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Fluiddurchströmungskanal in der Vielzahl horizontal in Bezug auf die Wärmequelle gestaltet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Zwischenschicht mit einer Vielzahl von Leitungen umfaßt, die in einer vorab festgelegten Gestalt zum Leiten von Fluid zwischen der Verteilerschicht und der Grenzflächenschicht angeordnet sind, wobei die Zwischenschicht zwischen der Grenzflächenschicht und der Verteilerschicht positioniert ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Leitungen außerdem mindestens eine Einlaßleitung zum Leiten von Fluid von der Verteilerschicht zur Grenzflächenschicht umfaßt.
Wärmetauscher nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Leitungen außerdem eine Auslaßleitung zum Leiten von Fluid von der Grenzflächenschicht zur Verteilerschicht umfaßt.
Wärmetauscher nach Anspruch 56, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Vielzahl von Leitungen mindestens eine veränderliche Abmessung entlang einer Länge der Zwischenschicht aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht mit der Grenzflächenschicht und der Verteilerschicht gekoppelt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht mit der Grenzflächenschicht und der Verteilerschicht integral ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht darauf eine Beschichtung enthält, wobei die Beschichtung eine geeignete Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitfähigkeit mindestens 100 W/m-K beträgt.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Vielzahl von Säulen umfaßt, die in einem vorab festgelegten Muster entlang der Grenzflächenschicht gebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht eine aufgerauhte Oberfläche aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht eine darauf angeordnete mikroporöse Struktur enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Vielzahl von Mikrokanälen umfaßt, die entlang der Grenzflächenschicht angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 66, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Mikrokanälen mit der Grenzflächenschicht gekoppelt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 66, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Mikrokanälen mit der Grenzflächenschicht integral ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 66, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Mikrokanälen darauf eine Beschichtung enthält, wobei die Beschichtung eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/m-K aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Dampfaustrittsmembran umfaßt, die über der Grenzflächenschicht positioniert ist, wo bei die Dampfaustrittsmembran Dampf dort hindurch zur Auslaßöffnung treten läßt, wobei die Dampfaustrittsmembran Fluid entlang mindestens eines Abschnitts der Grenzflächenschicht hält.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers zur Kühlung einer Wärmequelle, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: a. Ausbilden einer Grenzflächenschicht, die zur Übertragung von Wärme von der Wärmequelle zur Grenzflächenschicht fähig ist, wobei die Grenzflächenschicht eine geeignete Wärmeleitfähigkeit aufweist, und b. Ausbilden einer Verteilerschicht, die zum Zirkulierenlassen von Fluid zu und von der Grenzflächenschicht gestaltbar ist, wobei die Verteilerschicht derart gestaltbar ist, daß sie mit der Grenzflächenschicht gekoppelt ist.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den Schritt des Gestaltens der Verteilerschicht zum Erzielen von Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle umfaßt.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem den Schritt des Gestaltens der Verteilerschicht zur Minimierung von Druckabfall im Wärmetauscher umfaßt.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in einem Einphasenströmungszustand ist.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in einem Zweiphasenströmungszustand ist.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den Schritt des Gestaltens der Verteilerschicht umfaßt derart, daß sie eine Vielzahl von Fingern enthält, die in einer Anordnung angeordnet sind, um Fluid zu mindestens einem Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet zuzuführen.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem den Schritt des Koppelns einer Vielzahl von Fluiddurchströmungskanälen mit dem Wärmetauscher umfaßt, wobei einer oder mehrere der Vielzahl von Fluiddurchströmungskanälen derart gestaltet wird/werden, daß Fluid zu einem oder mehreren ausgewählten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet zirkulieren gelassen wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem den Schritt des Koppelns einer einzigen Einlaßöffnung und einer einzigen Auslaßöffnung mit dem Wärmetauscher umfaßt, wobei die Einlaß- und Auslaßöffnungen Fluid direkt zu einem oder mehreren ausgewählten Grenzflächen-Hot-Spot-Gebieten zirkulieren lassen.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 77, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Vielzahl von Fluideinlässen vertikal in Bezug auf die Wärmequelle gestaltet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 77, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Vielzahl von Fluideinlässen horizontal in Bezug auf die Wärmequelle gestaltet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 77, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den Schritt des Ausbildens einer Zwischenschicht mit einer Vielzahl von Leitungen zum Leiten von Fluid zwischen der Verteilerschicht und der Grenzflächenschicht um faßt, wobei die Zwischenschicht derart gestaltet wird, daß sie zwischen den Verteiler- und Grenzflächenschichten positionierbar ist.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 81, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht mit der Grenzflächenschicht und der Verteilerschicht gekoppelt wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 82, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht mit der Grenzflächenschicht und der Verteilerschicht durch einen Bondingprozeß gekoppelt ist.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 81, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Vielzahl von Leitungen mindestens eine veränderliche Abmessung in der Zwischenschicht aufweist.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 81, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht mit der Verteilerschicht und der Grenzflächenschicht integral ausgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den Schritt des Aufbringens einer wärmeleitfähigen Beschichtung auf die Grenzflächenschicht umfaßt.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 86, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitfähige Beschichtung aus einem Material auf Nickelbasis hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 86, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitfähige Beschichtung durch einen Galvanoformungsprozeß aufgebracht wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 86, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitfähige Beschichtung durch einen Galvanisierprozeß aufgebracht wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den Schritt des Gestaltens einer Vielzahl von Mikrokanälen in einem vorab festgelegten Muster entlang der Grenzflächenschicht umfaßt.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den Schritt des Gestaltens einer von Säulen in einem vorab festgelegten Muster entlang der Grenzflächenschicht umfaßt.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den Schritt des Gestaltens der Grenzflächenschicht mit einer aufgerauhten Oberfläche umfaßt.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den Schritt des Anordnens einer mikroporösen Struktur auf der Grenzflächenschicht umfaßt.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 90, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den Schritt des Koppelns der Vielzahl von Mikrokanälen mit der Grenzflächenschicht umfaßt.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 90, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den Schritt des integralen Ausbildens der Vielzahl von Mikrokanälen mit der Grenzflächenschicht umfaßt.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 90, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den Schritt des Aufbringens einer Beschichtung auf die Vielzahl von Mikrokanälen umfaßt, wobei die Beschichtung eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/m-K aufweist.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 96, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Aufbringens der Beschichtung außerdem umfaßt: a. Aufbringen einer Keimschicht aus geeignetem Material auf eine Applikationsoberfläche der Vielzahl von Mikrokanälen, und b. Vorsehen einer elektrischen Verbindung mit der Keimschicht.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 96, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Aufbringens einer Beschichtung auf die Vielzahl von Mikrokanälen durch einen Galvanoformungsprozeß erfolgt.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den Schritt des Positionierens einer Dampfaustrittsmembran über der Grenzflächenschicht umfaßt, wobei die Dampfaustrittsmembran Fluid entlang der Grenzflächenschicht hält und Dampf dort hindurch zu einer Auslaßöffnung treten läßt.
Das Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht durch einen Ätzprozeß gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht durch einen Galvanoformungsprozeß gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht durch einen photochemischen Ätzprozeß gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht durch einen chemischen Ätzprozeß gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht durch einen lasergestützten chemischen Ätzprozeß gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht mit der Wärmequelle integral ausgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 90, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Mikrokanälen durch einen Galvanoformungsprozeß gefertigt wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 106, dadurch gekennzeichnet, daß der Galvanoformungsprozeß in Kombination mit einer Heißprägetechnik durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 106, dadurch gekennzeichnet, daß der Galvanoformungsprozeß ferner die Verwendung einer Soft Lithography Patterning-Technik umfaßt.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 81, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch einen Plasmaätzprozeß gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 81, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch einen chemischen Ätzprozeß gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 81, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch Bearbeitung eines Metalls in die gewünschte Konfiguration gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 81, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch einen Spritzgießprozeß gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 81, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch einen Laserbohrprozeß gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 81, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch eine Heißprägetechnik gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 81, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch eine Soft Lithography-Technik gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 81, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch einen Spanbearbeitungsprozeß gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerschicht durch einen Spritzgießprozeß gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerschicht durch einen Ätzprozeß gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerschicht durch einen Spanbearbeitungsprozeß gebildet wird.
Wärmetauscher umfassend: a. ein Mittel zur Kühlung einer Wärmequelle, wobei das Mittel zur Kühlung mit der Wärmequelle gekoppelt und derart gestaltet ist, daß es dort hindurch Fluid leitet, und b. ein Mittel zum Liefern von Fluid an das Mittel zur Kühlung, wobei das Mittel zum Liefern derart gestaltet, daß es ausgewählte Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiete der Wärmequelle kühlt und Druckabfall im Wärmetauscher minimiert.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht mit der Wärmequelle integral ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht mit der Wärmequelle integral ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächenschicht mit der Wärmequelle integral ausgebildet ist.
Elektronisches Bauelement, umfassend: a. eine integrierte Schaltung; b. eine Grenzflächenschicht, die mit der integrierten Schaltung integral ausgebildet und derart gestaltet ist, daß sie dort hindurch Fluid leitet, und c. eine Verteilerschicht zum Zirkulierenlassen von Fluid in der Grenzflächenschicht, wobei die Verteilerschicht derart gestaltet ist, daß sie mindestens ein Grenzflächen-Hot-Spot-Gebiet selektiv kühlt.
Elektronisches Bauelement, umfassend: a. eine integrierte Schaltung, b. eine Grenzflächenschicht, die mit der integrierten Schaltung integral ausgebildet und derart gestaltet ist, daß sie dort hindurch Fluid leitet, und c. eine Verteilerschicht zum Zirkulierenlassen von Fluid mit der Grenzflächenschicht, wobei die Verteilerschicht eine Vielzahl von Fingern enthält, die derart gestaltet sind, daß sie Druckabfall in dem elektronischen Bauelement minimiert.
Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements, umfassend die Schritte: a. Bereitstellen einer integrierten Schaltung, b. Ausbilden einer mit der integrierten Schaltung integralen Grenzflächenschicht, wobei die Grenzflächenschicht zum Absorbieren von Wärme fähig ist, die von der integrierten Schaltung erzeugt wird, und c. Ausbilden einer Verteilerschicht an der Grenzflächenschicht, wobei die Verteilerschicht zum Zirkulierenlassen von Fluid in der Verteilerschicht und Minimieren von Druckabfall im elektronischen Bauelement fähig ist.
Geschlossenes System zur Kühlung von mindestens einer integrierten Schaltung, umfassend: a. mindestens einen Wärmetauscher zum Absorbieren von Wärme, die von der integrierten Schaltung erzeugt wird, wobei der Wärmetauscher ferner umfaßt: i. eine Grenzflächenschicht, die mit der integrierten Schaltung in Kontakt steht und derart konfiguriert ist, daß sie dort hindurch Fluid leitet, und ii. eine Verteilerschicht, die mit der Grenzflächenschicht gekoppelt ist, wobei die Verteilerschicht gestaltet ist, um Fluid mit der Grenzflächenschicht zirkulieren zu lassen und Druckabfall im Wärmetauscher zu minimieren,
mindestens eine Pumpe zum Zirkulierenlassen von Fluid durch den Kreislauf, wobei die Pumpe mit dem mindestens einen Wärmetauscher gekoppelt ist, und c. mindestens eine Wärmeausstoßeinrichtung, die mit der Pumpe und dem Wärmetauscher gekoppelt ist, wobei die Wärmeausstoßeinrichtung zur Kühlung von erwärmter Flüssigkeitsabgabe aus dem Wärmetauscher dient.