DE10393585T5

DE10393585T5 - Verteiler zur Reduzierung des Druckabfalls in Mikrokanal-Wärmetauschern

Info

Publication number: DE10393585T5
Application number: DE10393585T
Authority: DE
Inventors: Thomas William Jr. San Carlos Kenny; 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: 2003-10-10
Publication date: 2006-02-23
Also published as: WO2004042303A2; US6986382B2; US20040104010A1; JP2006517728A; AU2003284038A1; AU2003284038A8; TW200419127A; WO2004042303A3; TWI282840B

Abstract

Wärmetauscher mit
a. einer Grenzschicht zum Kühlen einer Wärmequelle, wobei die Grenzschicht so ausgebildet ist, daß sie von einer Flüssigkeit zu durchströmen ist; und
b. einer Verteilerschicht zum Leiten bzw. Umwälzen von Flüssigkeit zu der und von der Grenzschicht, wobei die Verteilerschicht einen ersten Satz von Fingern und einen parallel zu diesem angeordneten zweiten Satz von Fingern aufweist, um den Druckabfall innerhalb des Wärmetauschers zu reduzieren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer wärmeerzeugenden Vorrichtung, und speziell auf einen eingefügten, durchsetzten Verteiler zur Reduzierung des Druckabfalls in einem Mikrokanal-Wärmetauscher.

Hintergrund der Erfindung

Seit ihrer Einführung in den frühen 80er Jahren des vergangenen Jahrhunderts haben sich Mikrokanal-Kühler als höchst geeignet für Anwendungen bei hoher Wärmeflußdichte erwiesen und sind in der Industrie benutzt worden. Existierende Mikrokanäle weisen jedoch konventio nelle parallele Kanalanordnungen auf, welche nicht gut zum Kühlen wärmeerzeugender Vorrichtungen geeignet sind, welche räumlich variierende Wärmelasten aufweisen. Solche wärmeerzeugenden Vorrichtungen haben Bereiche, welche mehr Wärme als andere Bereiche erzeugen. Diese wärmeren Bereiche werden hier als "Heißstellen" bezeichnet, während die Bereiche der Wärmequelle, welche nicht so viel Wärme erzeugen, hier als "Warmstellen" bezeichnet werden.

1A zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Wärmetauscher 10, der über ein thermisches Grenzschichtmaterial 98 an eine elektronische Einrichtung 99 wie einen Mikroprozessor gekoppelt ist. Wie in 1A gezeigt ist, strömt Flüssigkeit allgemein von einem einzigen Einlaßanschluß 12 entlang der Bodenfläche 11 zwischen den parallelen Mikrokanälen 14, wie dieses durch Pfeile gezeigt ist, und tritt durch den Auslaßanschluß 16 aus. Obwohl der Wärmetauscher 10 die elektronische Einrichtung 99 kühlt, strömt die Flüssigkeit in gleichförmiger Weise von dem Einlaßanschluß 12 zum Auslaßanschluß 16. Mit anderen Worten, die Flüssigkeit strömt im wesentlichen gleichmäßig entlang der gesamten Bodenfläche 11 des Wärmetauschers 10 und führt den Bereichen der Bodenfläche 11, die Heißstellen der Einrichtung 99 entsprechen, nicht mehr Flüssigkeit zu. Weiterhin steigt die Temperatur der strömenden Flüssigkeit allgemein an, wenn sie entlang der Bodenfläche 11 des Wärmetauschers fließt. Demgemäß werden Bereiche der Wärmequelle 99, welche sich stromabwärts bzw. nahe zu dem Auslaßanschluß 16 befinden, nicht mit kalter Flüssigkeit versorgt, sondern mit Flüssigkeit, welche stromaufwärts bereits erwärmt worden ist. Die erwärmte Flüssigkeit verteilt die Wärme mithin über die gesamte Bodenfläche 11 des Wärmetauschers und den Bereich der Wärmequelle 99, wobei die Flüssigkeit nahe zu dem Auslaßanschluß 16 so heiß ist, daß sie die Wärmequelle nicht mehr kühlen kann. Außerdem hat der Wärmetauscher 10 nur einen Einlaß 12 und einen Auslaß 16, was die Flüssigkeit zwingt, über die gesamte Länge des Wärmetauschers 10 entlang der parallelen Mikrokanäle 14 in der Bodenfläche 11 zu strömen, wodurch ein hoher Druckverlust erzeugt wird.

1B zeigt eine Seitenansicht eines Mehr-Etagen-Wärmetauschers 20. Flüssigkeit tritt in den Mehr-Etagen-Wärmetauscher 20 durch den Einlaß 22 ein und strömt durch zahlreiche Düsen 28 in der mittleren Lage 26 zur Bodenfläche 27 und aus dem Auslaß 24. Die entlang den Düsen 28 strömende Flüssigkeit kann gleichförmig nach unten zur Bodenfläche 27 strömen oder auch nicht. Obwohl die in den Wärmetauscher 20 eintretende Flüssigkeit über die Länge des Wärmetauschers 20 verteilt wird, stellt diese Ausführung den wärmeren Bereichen des Wärmetauschers 20 und der Wärmequelle nicht mehr Flüssigkeit zur Verfügung, obwohl diese an sich eine größere Flüssigkeitszirkulation benötigen.

Weiterhin sind konventionelle Wärmetauscher aus Materialien hergestellt, welche in der Bodenfläche einen hohen thermischen Widerstand aufweisen, so daß der Wärmetauscher einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, welcher zu dem der Wärmequelle 99 paßt. Der hohe thermische Widerstand des Wärmetauschers gestattet dadurch keinen ausreichenden Wärmeaustausch mit der Wärmequelle 99. Um dem hohen thermischen Widerstand Rechnung zu tragen, werden größere Kanal-Querschnittsbereiche gewählt, damit mehr Wärmeaustausch zwischen dem Wärmetauscher 10 und der Wärmequelle 99 erfolgt. Wenn die Dimensionen der Kanäle des Wärmetauschers kleiner gemacht werden und der Abstand zwischen den Kanalwänden und dem hydraulischen Durchmesser verkleinert wird, wird der thermische Widerstand des Wärmetauschers reduziert. Ein Problem bei der Verwendung enger Mikrokanäle ist jedoch das Anwachsen des Druckverlustes entlang den Kanälen. Das Anwachsen des Druckverlustes stellt extreme Anforderungen an eine Pumpe, welche die Flüssigkeit durch den Wärmetauscher treibt. Größere Mikrokanaldimensionen verursachen auch einen größeren Druckverlust zwischen den Einlaß- und Auslaßanschlüssen aufgrund der langen Entfernung, über welche ein- oder zweiphasige Flüssigkeit strömen muß. Weiterhin verursacht ein Kochen der Flüssigkeit in einem Mikrokanal-Wärmetauscher einen größeren Druckverlust für eine gegebene Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der Mischung von Flüssigkeit und Dampf wie auch der Beschleunigung der Flüssigkeit in die Dampfphase. Beide dieser Faktoren vergrößern den Druckverlust je Einheitslänge. Der große Druckverlust, der innerhalb der geläufigen Mikrokanal-Wärmetauscher erzeugt wird, erfordert größere Pumpen, die höhere Drücke erzeugen können, und daher für eine Mikrokanalanordnung nicht geeignet sind.

Benötigt wird ein Mikrokanal-Wärmetauscher, der so ausgebildet ist, daß eine ordnungsgemäße Gleichförmigkeit der Temperatur der Wärmequelle erreicht wird. Außerdem wird ein Wärmetauscher benötigt, der so ausgebildet ist, daß eine ordnungsgemäße Gleichförmigkeit im Hinblick auf Heißstellen der Wärmequelle erreicht wird. Außerdem wird ein Wärmetauscher benötigt, der eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, um einen adäquaten Wärmeaustausch mit der Wärmequelle durchführen zu können. Weiterhin wird ein Wärmetauscher benötigt, der so ausgebildet ist, daß ein kleiner Druckverlust zwischen den Einlaß- und Auslaßanschlüssen für die Flüssigkeit zu erzielen ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Unter einem Aspekt der Erfindung enthält ein Mikrokanal-Wärmetauscher eine Grenzschicht zum Kühlen einer Wärmquelle. Die Grenzschicht ist so ausgebildet, daß Flüssigkeit durch sie hindurchströmen kann, und sie ist an die Wärmequelle gekoppelt. Der Wärmetauscher umfaßt außerdem eine Verteilerschicht, welche einen ersten Satz von Fingern und einen zweiten Satz von Fingern aufweist. Der erste Satz von Fingern stellt der Grenzschicht an einem ersten Satz vorgegebener Stellen Flüssigkeit zur Verfügung, und der zweite Satz von Fingern entfernt Flüssigkeit von der Grenzschicht an einem zweiten Satz vorgegebener Stellen. Ein bestimmter Finger des ersten Satzes ist durch einen geeigneten Abstand von einem bestimmten Finger des zweiten Satzes entfernt, um den Druckverlust in dem Wärmetauscher zu minimalisieren, und in einer ineinander fassenden Reihe angeordnet. Der Wärmetauscher enthält weiterhin wenigstens einen ersten Anschluß, der mit dem ersten Satz von Fingern kommuniziert, wobei Flüssigkeit durch den wenigstens einen ersten Anschluß in den Wärmetauscher eintritt. Der Wärmetauscher umfaßt weiterhin wenigstens einen zweiten Anschluß, der mit dem zweiten Satz von Fingern kommuniziert, wobei Flüssigkeit den Wärmetauscher durch den wenigstens einen zweiten Anschluß verläßt. Bevorzugt ist die Verteilerschicht oberhalb der Grenzschicht angeordnet, wobei Flüssigkeit durch den ersten Satz von Fingern nach unten zur Grenzschicht fließt. Bevorzugt sind die Finger des ersten Satzes alternierend mit den Fingern des zweiten Satzes angeordnet. Bevorzugt sind die Finger parallel und haben eine konstante Dimension.

Alternativ sind die Finger nicht parallel und haben variierende Dimensionen. Der Wärmetauscher umfaßt weiterhin eine erste Anschlußpassage, die mit dem ersten Anschluß und dem ersten Satz von Fingern kommuniziert. Die erste Anschlußpassage kanalisiert Flüssigkeit vom ersten Anschluß zum ersten Satz von Fingern, um den Druckverlust innerhalb des Wärmetauschers zu minimalisieren. Der Wärmetauscher enthält weiterhin eine zweite Anschlußpassage, die mit dem zweiten Anschluß und dem zweiten Satz von Fingern kommuniziert. Die zweite Anschlußpassage kanalisiert Flüssigkeit von dem zweiten Satz von Fingern zu dem zweiten Anschluß, um den Druckverlust innerhalb des Wärmetauschers zu minimalisieren. Der Wärmetauscher enthält weiterhin eine Zwischenschicht, welche Flüssigkeit von der Verteilerschicht zur Grenzschicht in wenigstens einem vorgegebenen Grenzschicht-Heißstellen-Bereich optimal kanalisiert. Die Zwischenschicht ist an die Grenzschicht und die Verteilerschicht gekoppelt und alternativ integral mit der Grenzschicht und der Verteilerschicht ausgebildet. Die Grenzschicht hat eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 20 W/m-K und vorzugsweise wenigstens 100 W/m-K. Alternativ ist auf der Grenzschicht eine Beschichtung angeordnet, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von wenigstens 20 W/m-K aufweist. Vorzugsweise weist die Grenzschicht eine Vielzahl von in einem vorgegebenen Muster angeordneten Mikrokanälen auf. Die Anzahl der Mikrokanäle ist an die Grenzschicht gekoppelt und alternativ integral mit der Grenzschicht ausgebildet. Die Grenzschicht enthält weiterhin wenigstens eine Rille bzw. Nut, welche benachbart zu der Vielzahl der Mikrokanäle angeordnet und zu den Fingern des ersten und zweiten Satzes ausgerichtet ist. Die thermische Leitfähigkeit der Beschichtung beträgt wenigstens 20 W/m-K, und alternativ ist auf ihr eine Beschichtung angeordnet, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit aufweist. Die Grenzschicht umfaßt alternativ weiterhin eine Vielzahl von Säulen, die in einem vorgegebenen Muster entlang der Grenzschicht angeordnet sind. Alternativ weist die Grenzschicht eine aufgerauhte Oberfläche auf. Die Grenzschicht weist alternativ eine mikroporöse Konfiguration auf.

Unter einem anderen Aspekt der Erfindung enthält ein Wärmetauscher zum Kühlen einer Wärmequelle eine Verteilerschicht, welche einen ersten Satz von Fingern in einer ersten Konfiguration enthält. Jeder Finger des ersten Satzes kanalisiert Flüssigkeit mit einer ersten Tem peratur. Die Verteilerschicht enthält weiterhin einen zweiten Satz von Fingern einer zweiten Konfiguration, wobei jeder Finger des zweiten Satzes Flüssigkeit mit einer zweiten Temperatur kanalisiert. Die ersten und zweiten Sätze von Fingern sind in einem ineinandergreifenden Muster angeordnet. Der Wärmetauscher umfaßt außerdem eine Grenzschicht, welche an die Wärmequelle gekoppelt ist und Flüssigkeit mit der ersten Temperatur an mehreren ersten Stellen erhält. Jede erste Stelle ist einem entsprechenden Finger des ersten Satzes zugeordnet, wobei die Grenzschicht Flüssigkeit entlang einer Mehrzahl vorgegebener Pfade zu einer Mehrzahl zweiter Stellen leitet. Jede zweite Stelle ist einem entsprechenden Finger im zweiten Satz zugeordnet. Ein bestimmter Finger des ersten Satzes ist durch einen geeigneten Abstand von einem bestimmten Finger des zweiten Satzes entfernt, wobei der geeignete Abstand einen minimalen Druckverlust in dem Wärmetauscher erzeugt. Die Finger sind bevorzugt parallel und haben eine konstante Dimension. Alternativ sind die Finger nicht parallel und haben variierende Dimensionen. Der Wärmetauscher enthält weiterhin wenigstens einen ersten Anschluß, der mit dem ersten Satz von Fingern kommuniziert, wobei die Flüssigkeit durch den wenigstens einen ersten Anschluß in den Wärmetauscher eintritt. Der Wärmetauscher enthält wenigstens einen zweiten Anschluß, der mit dem zweiten Satz von Fingern kommuniziert, wobei die Flüssigkeit durch den wenigstens einen zweiten Anschluß aus dem Wärmetauscher austritt. Die Verteilerschicht ist bevorzugt oberhalb der Grenzschicht angeordnet, wobei Flüssigkeit durch den ersten Satz von Fingern nach unten zur Grenzschicht strömt. Bevorzugt sind die Finger des ersten Satzes in alternierender Anordnung mit den Fingern des zweiten Satzes angeordnet. Der Wärmetauscher enthält weiterhin eine erste Anschlußpassage, die mit dem ersten Anschluß und dem ersten Satz von Fingern kommuniziert. Die erste Anschlußpassage kanalisiert Flüssigkeit von dem ersten Anschluß zu dem ersten Satz von Fingern, um den Druckabfall innerhalb des Wärmetauschers zu minimalisieren. Der Wärmetauscher enthält weiterhin eine zweite Anschlußpassage, die mit dem zweiten Anschluß und dem zweiten Satz von Fingern kommuniziert. Die zweite Anschlußpassage kanalisiert Flüssigkeit von dem zweiten Satz von Fingern zum zweiten Anschluß, um den Druckverlust innerhalb des Wärmetauschers zu minimalisieren. Der Wärmetauscher enthält weiterhin eine Zwischenschicht, welche Flüssigkeit von der Verteilerschicht zur Grenzschicht an wenigstens einem vorgegebenen Grenzschicht-Heißstellen-Bereich optimal zu kanalisiert. Die Zwischenschicht ist zwischen der Grenzschicht und der Verteilerschicht angeordnet, wobei die Zwischenschicht Flüssigkeit an wenigstens einem Grenzschicht-Heißstellen-Bereich der Grenzschicht optimal kanalisiert. Die Zwischenschicht ist an die Grenzschicht und die Verteilerschicht gekoppelt und alternativ integral mit der Grenzschicht und der Verteilerschicht ausgebildet. Die Grenzschicht hat eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 20 W/m-K und weist alternativ eine auf ihr angeordnete Beschichtung auf, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von wenigstens 20 W/m-K und vorzugsweise wenigstens 100 W/m-K aufweist. Vorzugsweise weist die Grenzschicht weiterhin eine Vielzahl von Mikrokanälen auf, die in einem vorgegebenen Muster angeordnet sind. Die Vielzahl der Mikrokanäle ist an die Grenzschicht gekoppelt und alternativ integral mit der Grenzschicht ausgebildet. Die Grenzschicht enthält weiterhin wenigstens eine Rille bzw. Nut, welche benachbart zu der Vielzahl der Mikrokanäle angeordnet und zu den Fingern des ersten Satzes ausgerichtet ist. Die thermische Leitfähigkeit der Beschichtung beträgt wenigstens 20 W/m-K und hat alternativ darauf eine Beschichtung, wobei die Beschichtung eine geeignete Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Grenzschicht weist alternativ eine Vielzahl von Säulen auf, die in einem vorgegebenen Muster entlang der Grenzschicht angeordnet sind. Alternativ weist die Grenzschicht eine aufgerauhte Oberfläche auf. Alternativ besitzt die Grenzschicht eine mikroporöse Konfiguration.

Unter einem noch anderen Aspekt der Erfindung ist ein Mikrokanal-Wärmetauscher an eine Wärmequelle gekoppelt und so ausgebildet, daß er die Wärmequelle kühlen kann. Der Mikrokanal-Wärmetauscher enthält einen ersten Satz von Fingern, welche einem Wärmetauschbereich Flüssigkeit mit einer ersten Temperatur zur Verfügung stellen. Die Flüssigkeit in dem Wärmetauschbereich fließt zu einem zweiten Satz von Fingern und tritt mit einer zweiten Temperatur aus dem Wärmetauscher aus. Jeder Finger steht zu einem benachbarten Finger in einem geeigneten Abstand, um den Druckabfall in dem Wärmetauscher zu minimalisieren, und ist in einem verwobenen bzw. ineinandergreifenden Muster angeordnet. Der Mikrokanal-Wärmetauscher umfaßt weiterhin eine Grenzschicht mit einem Wärmetauschbereich, in dem die Flüssigkeit einem Wärmeaustausch mit der Wärmequelle entlang dem Wärmetauschbereich unterworfen wird. Alternativ weist die Grenzschicht weiterhin den ersten Satz von Fin gern und den zweiten Satz von Fingern auf, welche entlang dem Wärmetauschbereich angeordnet bzw. ausgebildet sind. Bevorzugt weist der Mikrokanal-Wärmetauscher weiterhin eine Verteilerschicht auf, um der Grenzschicht Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen, wobei die Verteilerschicht den ersten Satz von Fingern und den zweiten Satz von Fingern darin umfaßt. Der Wärmetauscher enthält weiterhin wenigstens einen ersten Anschluß, der mit dem ersten Satz von Fingern kommuniziert, wobei die Flüssigkeit durch den wenigstens einen ersten Anschluß in den Wärmetauscher eintritt. Der Wärmetauscher enthält weiterhin wenigstens einen zweiten Anschluß, der mit dem zweiten Satz von Fingern kommuniziert, wobei die Flüssigkeit den Wärmetauscher durch den wenigstens einen zweiten Anschluß verläßt. Die Verteilerschicht ist bevorzugt oberhalb der Grenzschicht angeordnet, wobei Flüssigkeit durch den ersten Satz von Fingern nach unten zur Grenzschicht fließt. Bevorzugt sind die Finger des ersten Satzes alternierend mit den Fingern des zweiten Satzes angeordnet. Der Wärmetauscher enthält weiterhin eine erste Anschlußpassage, die mit dem ersten Anschluß und dem ersten Satz von Fingern kommuniziert. Die erste Anschlußpassage kanalisiert Flüssigkeit von dem ersten Anschluß zu dem ersten Satz von Fingern, um den Druckabfall innerhalb des Wärmetauschers zu minimalisieren. Der Wärmetauscher enthält weiterhin eine zweite Anschlußpassage, die mit dem zweiten Anschluß und dem zweiten Satz von Fingern kommuniziert. Die zweite Anschlußpassage kanalisiert Flüssigkeit von dem zweiten Satz von Fingern zu dem zweiten Anschluß, um den Druckabfall innerhalb des Wärmetauschers zu minimalisieren. Der Wärmetauscher enthält weiterhin eine Zwischenschicht, welche Flüssigkeit von der Verteilerschicht zur Grenzschicht an wenigstens einem vorgegebenen Grenzschicht-Heißstellen-Bereich optimal kanalisiert. Die Zwischenschicht ist zwischen der Grenzschicht und der Verteilerschicht angeordnet, wobei die Zwischenschicht Flüssigkeit zu wenigstens einem vorgegebenen Grenzschicht-Heißstellen-Bereich in der Grenzschicht optimal kanalisiert. Die Zwischenschicht ist an die Grenzschicht und die Verteilerschicht gekoppelt und alternativ integral mit der Grenzschicht und der Verteilerschicht ausgebildet. Die Grenzschicht hat eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 20 W/m-K, und alternativ ist auf ihr eine Beschichtung angeordnet, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von wenigstens 20 W/m-K besitzt. Bevorzugt enthält die Grenzschicht weiterhin eine Vielzahl von in einem vorgegebenen Muster angeordneten Mikrokanälen. Die Anzahl der Mikrokanäle ist an die Grenzschicht gekoppelt und alternativ integral mit der Grenzschicht ausgebildet. Die Grenzschicht enthält weiterhin wenigstens eine Rille bzw. Nut, welche benachbart zu der Mehrzahl von Mikrokanälen angeordnet und zu den Fingern des ersten Satzes ausgerichtet ist. Die thermische Leitfähigkeit der Beschichtung beträgt wenigstens 20 W/m-K und weist alternativ eine Beschichtung darauf auf, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit besitzt. Die Grenzschicht enthält alternativ weiterhin eine Anzahl von Säulen, die in einem vorgegebenen Muster entlang der Grenzschicht angeordnet sind. Alternativ weist die Grenzschicht eine aufgerauhte Oberfläche auf. Alternativ besitzt die Grenzschicht eine mikroporöse Konfiguration.

Unter noch einem anderen Aspekt der Erfindung sieht ein Verfahren zum Kühlen einer Wärmequelle vor, daß Flüssigkeit mit einer ersten Temperatur zu einem Wärmeaustauschbereich über einen ersten Satz von Fingern einer ersten Konfiguration geleitet wird. Das Verfahren umfaßt weiterhin den Schritt, daß die Flüssigkeit längs einer Mehrzahl vorgegebener Pfade entlang dem Wärmeaustauschbereich kanalisiert wird, wobei die Flüssigkeit zu einem zweiten Satz von Fingern einer zweiten Konfiguration kanalisiert wird. Die Finger in jedem Satz sind so ausgebildet, daß sie den Druckverlust minimalisieren und in einer ineinanderfassenden Reihe angeordnet sind. Das Verfahren umfaßt auch den Schritt, daß Flüssigkeit mit einer zweiten Temperatur von dem Wärmetauschbereich über den zweiten Satz von Fingern abgeführt wird. Bevorzugt sind der erste Satz und der zweite Satz von Fingern über dem Wärmetauschbereich angeordnet. Alternativ sind der erste und zweite Satz von Fingern entlang dem Wärmetauschbereich angeordnet.

Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach Durchsicht der detaillierten Beschreibung von nachstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A zeigt eine Seitenansicht eines konventionellen Wärmetauschers.
1B zeigt eine Draufsicht auf den konventionellen Wärmetauscher.
1C zeigt eine Seitenansicht eines im Stand der Technik bekannten Mehr-Etagen-Wärmetauschers.
2A zeigt eine schematische Darstellung eines geschlossenen Kühlsystems, bei dem eine bevorzugte Ausgestaltung des Mikrokanal-Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung zur flexiblen Anlieferung von Flüssigkeit gezeigt ist.
2B zeigt eine schematische Darstellung eines geschlossenen Kühlsystems, bei dem eine alternative Ausgestaltung des Mikrokanal-Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung zur flexiblen Bereitstellung von Flüssigkeit dargestellt ist.
3A zeigt eine Draufsicht auf eine alternative Verteilerschicht des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung.
3B zeigt eine Explosionsdarstellung eines alternativen Wärmetauschers mit der alternativen Verteilerschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht der bevorzugten Verteilerschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine Draufsicht auf die bevorzugte Verteilerschicht mit der Grenzschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
6A zeigt eine Querschnittsdarstellung der bevorzugten Verteilerschicht mit der Grenzschicht der vorliegenden Erfindung entlang den Linien A-A.
6B zeigt eine Querschnittsdarstellung der bevorzugten Verteilerschicht mit der Grenzschicht gemäß der vorliegenden Erfindung gemäß den Linien B-B.
6C zeigt eine Querschnittsdarstellung der bevorzugten Verteilerschicht mit der Grenzschicht gemäß der vorliegenden Erfindung entlang den Linien C-C.
7A zeigt eine Explosionsdarstellung der bevorzugten Verteilerschicht mit der Grenzschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
7B zeigt eine perspektivische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung der Grenzschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
8A zeigt eine Draufsicht auf eine alternative Grenzschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
8B zeigt eine Draufsicht auf die Grenzschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
8C zeigt eine Draufsicht auf die Grenzschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
9A zeigt eine Seitenansicht einer alternativen Ausgestaltung des Drei-Deck-Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung.
9B zeigt eine alternative Ausgestaltung des Zwei-Deck-Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine perspektivische Darstellung der Grenzschicht mit einer Mikrostift-Reihe gemäß der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt eine teilweise weggeschnittene perspektivische Darstellung eines alternativen Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt eine Seitenansicht der Grenzschicht des Wärmetauschers mit einer darauf angeordneten Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
13 zeigt ein Flußdiagramm eines alternativen Verfahrens zum Herstellen des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung.
14 zeigt in einer schematischen Darstellung ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit zwei an eine Wärmequelle gekoppelten Wärmetauschern.
Detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung
Allgemein gesagt nimmt der Wärmetauscher thermische Energie auf, die von einer Wärmequelle erzeugt wird, indem Flüssigkeit durch ausgewählte Bereiche der Grenzschicht geleitet wird, welche bevorzugt an die Wärmequelle angekoppelt ist. Genauer gesagt wird die Flüssigkeit spezifischen Bereichen der Grenzschicht zugeleitet, um die Heißstellen und Bereiche um die Heißstellen zu kühlen, um allgemein eine Gleichförmigkeit der Temperatur über die Wärmequelle bei einem kleinen Druckabfall innerhalb des Wärmetauschers zu erzielen. Wie bei den verschiedenen Ausgestaltungen weiter unten ausgeführt ist, verwendet der Wärmetauscher eine Vielzahl von Öffnungen, Kanälen und/oder Fingern in der Verteilerschicht sowie Leitungen in der Zwischenschicht, um Flüssigkeit zu und von Heißstellenbereichen der Grenzschicht zu leiten und zirkulieren zu lassen. Alternativ weist der Wärmetauscher mehrere Anschlüsse auf, welche speziell an vorgegebenen Stellen angeordnet sind, um Flüssigkeit direkt zu den Heißstellen zu liefern und abzuleiten, um die Wärmequelle effektiv zu kühlen.
Obwohl der Mikrokanal-Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung in bezug auf eine flexible Flüssigkeitsanlieferung zum Kühlen von Heißstellen in einer Vorrichtung beschrieben und diskutiert wird, ist es für den Fachmann erkennbar, daß der Wärmetauscher alternativ auch für eine flexible Flüssigkeitsanlieferung zum Erwärmen einer kalten Stelle in einer Vorrichtung verwendet werden kann. Außerdem sei darauf verwiesen, daß die vorliegende Erfindung auch für andere Anwendungen geeignet und nicht auf die hier diskutierten Anwendungen beschränkt ist, obwohl sie bevorzugt als Mikrokanal-Wärmetauscher beschrieben ist.
2A zeigt eine schematische Darstellung eines geschlossenen Kühlsystems 30, welches einen bevorzugten Mikrokanal-Wärmetauscher 400 gemäß der vorliegenden Erfindung für eine flexible Flüssigkeitsanlieferung aufweist. Weiterhin zeigt 2B eine schematische Dar stellung eines geschlossenen Kühlsystems 30, welches einen alternativen Mikrokanal-Wärmetauscher 200 mit mehreren Anschlüssen 108, 109 zur flexiblen Anlieferung von Flüssigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
Wie in 2A gezeigt ist, sind die Flüssigkeitsanschlüsse 108, 109 an Flüssigkeitslinien bzw. -leitungen 38 gekoppelt, die an eine Pumpe 32 und einen Wärmekondensator 30 angeschlossen sind. Die Pumpe 32 pumpt und zirkuliert Flüssigkeit innerhalb des in sich geschlossenen Kreises 30. Bevorzugt wird ein Flüssigkeitsanschluß 108 für eine Zuführung von Flüssigkeit zu dem Wärmetauscher 100 verwendet. Weiterhin wird bevorzugt der Flüssigkeitsanschluß 109 dafür verwendet, um Flüssigkeit von dem Wärmetauscher 100 abzuführen. Bevorzugt tritt eine gleichförmige, konstante Menge von Flüssigkeit in den Wärmetauscher 100 ein und verläßt diesen über die entsprechenden Flüssigkeitsanschlüsse 108, 109. Alternativ können unterschiedliche Flüssigkeitsmengen zu einer vorgegebenen Zeit durch die Einlaß- und Auslaßanschlüsse 108, 109 ein- und austreten. Alternativ versorgt eine Pumpe mehrere vorbestimmte Einlaßanschlüsse 108, wie dieses in 2B gezeigt ist. Alternativ versorgen mehrere Pumpen (nicht gezeigt) die betreffenden Ein- und Auslaßanschlüsse 108, 109 mit Flüssigkeit. Weiterhin kann der dynamische Feststell- und Steuermodul 34 alternativ in dem System vorgesehen sein, um die Menge und Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit zu variieren und dynamisch zu steuern, die in den bevorzugten oder einen alternativen Wärmetauscher ein- und wieder austritt, als Reaktion auf variierende Heißstellen bzw. Wechsel der Wärmemengen an Heißstellen wie auch einen lokalen Wechsel der Heißstellen.
Bei der bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich um einen Drei-Etagen-Wärmetauscher 400, welcher eine Grenzschicht 402, wenigstens eine Zwischenschicht 404 und wenigstens eine Verteilerschicht 406 aufweist. Die bevorzugte Verteilerschicht 406 und die bevorzugte Grenzschicht 402 sind in 7 gezeigt und die Zwischenschicht 404 ist in 3B gezeigt. Alternativ kann der Wärmetauscher 400, wie unten ausgeführt ist, ein Zwei-Etagen-Apparat sein, welcher die Grenzschicht 402 und die Verteilerschicht 406 enthält, wie in 7 gezeigt ist. Wie in den 2A und 2B gezeigt ist, ist der Wärmetauscher 400 an eine Wärmequelle 99 gekoppelt, wie ein elektronisches Teil bzw. eine elektronische Einrichtung wie bspw. ein Mikrochip oder ein integrierter Schaltkreis, wobei ein thermisches Grenzmaterial 98 bevorzugt zwischen der Wärmequelle 99 und dem Wärmetauscher 100 angeordnet ist. Alternativ wird der Wärmetauscher direkt an die Oberfläche der Wärmequelle 99 gekoppelt. Es ist für einen Fachmann auch ersichtlich, daß der Wärmetauscher 400 alternativ integral in die Wärmequelle 99 eingeformt werden kann, wobei der Wärmetauscher 400 und die Wärmequelle 99 als ein Teil ausgebildet sind. Somit ist die Grenzschicht 102 integral mit der Wärmequelle 99 und einteilig mit dieser ausgebildet.
Bevorzugt steht der Wärmetauscher 400 gemäß der vorliegenden Erfindung direkt oder indirekt mit der Wärmequelle 99 in Kontakt, welche eine rechtwinklige Form aufweist, wie in den Zeichnungsfiguren gezeigt ist. Es ist jedoch für einen Fachmann ersichtlich, daß der Wärmetauscher 400 jegliche andere Form aufweisen kann, welche der Form der Wärmequelle 99 entspricht. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Wärmetauscher eine halbkreisförmige äußere Form aufweisen (nicht gezeigt) und in direktem oder indirektem Kontakt mit einer entsprechenden halbkreisförmig geformten Wärmequelle (nicht gezeigt) stehen. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der Wärmetauscher 400 etwas größer als die Wärmequelle ist, und zwar um 0,5 – 5,0 mm.
3A zeigt eine Draufsicht auf eine andere Ausbildung der Verteilerschicht 106 nach der vorliegenden Erfindung. Wie in 3B gezeigt ist, weist die Verteilerschicht 106 vier Seiten sowie eine Oberseite 130 und eine Bodenfläche 132 auf. Die Oberseite 130 ist in 3A jedoch fortgelassen, um die Arbeitsweise der Verteilerschicht 106 darzustellen und zu beschreiben. Wie in 3A gezeigt ist, weist die Verteilerschicht 106 eine Anzahl von Kanälen bzw. Passagen 116, 118, 120, 122 sowie Anschlüsse 108, 109 auf, die in ihr ausgebildet sind. Die Finger 118, 120 erstrecken sich vollständig durch den Körper der Verteilerschicht 106 in Z-Richtung, wie dieses in 3B gezeigt ist. Alternativ können sich die Finger 118 und 120 teilweise in Z-Richtung erstrecken und Öffnungen aufweisen, wie in 3A gezeigt ist. Weiterhin erstrecken sich die Passagen 116 und 122 teilweise durch die Verteilerschicht 106. Die verbleibenden Bereiche zwischen den Einlaß- und Auslaßpassagen 116, 120, die mit 107 bezeichnet sind, erstrecken sich von der Oberseite 130 zur Bodenfläche 132 und bilden den Körper der Verteilerschicht 106.
Wie in 3A gezeigt ist, tritt die Flüssigkeit über den Einlaßanschluß 108 in die Verteilerschicht 106 ein und strömt längs des Einlaßkanals 116 zu mehreren Fingern 118, welche sich von dem Kanal 116 aus in mehreren Richtungen in X- und/oder Y-Richtung verzweigen, um ausgewählte Bereiche der Grenzschicht 102 mit Flüssigkeit zu versorgen. Die Finger 118 sind in unterschiedlichen vorgegebenen Richtungen angeordnet, um Flüssigkeit zu Stellen der Grenzschicht 102 zu leiten, welche den Bereichen der Heißstellen der Wärmequelle oder diesen benachbarten Bereichen entsprechen. Diese Stellen der Grenzschicht 102 werden nachfolgend als Grenzschicht-Heißstellen-Bereiche bezeichnet. Die Finger sind so ausgebildet, daß sie sowohl stationäre als auch zeitlich variierende Grenzschicht-Heißstellen-Bereiche kühlen können. Wie in 3A gezeigt ist, sind die Kanäle 116, 122 und die Finger 118, 120 in der X- und/oder Y-Richtung in der Verteilerschicht 106 angeordnet. Somit gestatten die verschiedenen Richtungen der Kanäle 116, 122 und der Finger 118, 120 eine Anlieferung von Flüssigkeit, um die Heißstellen der Wärmequelle 99 zu kühlen und/oder den Druckabfall innerhalb des Wärmetauschers 100 zu minimalisieren. Alternativ sind die Kanäle 116, 22 und die Finger 118, 120 periodisch in der Verteilerschicht 106 angeordnet und bilden wie bei der bevorzugten Ausgestaltung ein Muster.
Die Anordnung sowie die Dimensionen der Finger 118, 120 sind im Lichte der zu kühlenden Heißstellen der Wärmequelle 99 gewählt. Die Orte der Heißstellen sowie die Wärmemenge, die nahe oder an jeder Heißstelle erzeugt wird, werden dazu verwendet, um die Verteilerschicht 106 zu konfigurieren, so daß die Finger 118, 120 oberhalb oder benachbart der Grenzschicht-Heißstellen-Bereiche der Grenzschicht 102 angeordnet sind. Die Verteilerschicht 106 ermöglicht bevorzugt einer Ein- und/oder Zwei-Phasen-Flüssigkeit in der Grenzschicht 102 zu zirkulieren, ohne daß ein wesentlicher Druckverlust innerhalb des Wärmetauschers 100 und des Systems 30 (2A) entsteht. Die Flüssigkeitsanlieferung an die Grenzschicht- Heißstellen-Bereiche erzeugt eine gleichmäßige Temperatur an den Grenzschicht-Heißstellen-Bereichen wie auch in Bereichen der Wärmequelle, welche den Grenzschicht-Heißstellen-Bereichen benachbart sind.
Die Dimensionen sowie die Anzahl der Kanäle 116 und Finger 118 hängen von einer Anzahl von Faktoren ab. Bei einer Ausgestaltung haben die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 die gleichen Breitenabmessungen. Alternativ können die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 unterschiedliche Breitenabmessungen aufweisen. Die Breitenabmessungen der Finger 118, 120 liegen bevorzugt innerhalb des Bereiches von 0,25 – 0,50 mm. Bei einer Ausgestaltung haben die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 dieselben Längen- und Tiefenabmessungen. Alternativ können die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 unterschiedliche Längen- und Tiefenabmessungen aufweisen. Bei einer anderen Ausgestaltung weisen die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 längs der Finger variierende Breitenabmessungen auf. Die Längenabmessungen der Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 liegen in einem Bereich von 0,5 mm bis zur dreifachen Größe der Länge der Wärmequelle. Weiterhin haben die Finger 118, 120 eine Höhe bzw. Tiefe innerhalb eines Bereiches von 0,25 – 0,50 mm. Weiterhin sind weniger als zehn oder mehr als 30 Finger pro Zentimeter in der Verteilerschicht 106 vorgesehen. Es ist jedoch für einen Fachmann erkennbar, daß auch eine Anzahl zwischen zehn und dreißig Fingern je Zentimeter in der Verteilerschicht alternativ möglich ist.
Innerhalb der vorliegenden Erfindung ist auch vorgesehen, die Geometrie der Finger 118, 120 und der Kanäle 116, 122 in nicht-periodischer Anordnung vorzusehen, um das Kühlen der Heißstellen der Wärmequelle zu optimieren. Um eine gleichmäßige Temperatur über die Wärmequelle 99 zu erhalten, entspricht die räumliche Verteilung der Wärmeübertragung auf die Flüssigkeit der räumlichen Verteilung der Wärmeerzeugung. Wenn die Flüssigkeit längs der Grenzschicht durch den Mikrokanal 110 strömt, steigt ihre Temperatur an, und sie beginnt, sich in Dampf umzuformen, so daß Zwei-Phasen-Bedingungen entstehen. Demgemäß unterliegt die Flüssigkeit einer erheblichen Expansion, was zu einem erheblichen Anwachsen ihrer Geschwindigkeit führt. Die Wirksamkeit der Wärmeübertragung von der Grenzschicht auf die Flüssigkeit wird bei einer Strömung mit hoher Geschwindigkeit ganz allgemein verbessert. Es ist daher möglich, die Effizienz der Wärmeübertragung auf die Flüssigkeit durch Anpassung der Querschnittsdimensionen der Finger 118, 120 zur Zuführung und Abführung von Flüssigkeit und der Kanäle 116, 122 in dem Wärmetauscher 100 zu verbessern.
Beispielsweise kann ein bestimmter Finger für eine Wärmequelle ausgebildet sein, an welcher nahe dem Einlaß eine höhere Wärmeerzeugung erfolgt. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, einen größeren Querschnitt für die Bereiche der Finger 118, 120 und die Kanäle 116, 122 dort vorzusehen, wo eine Mischung von Flüssigkeit und Dampf erwartet wird. Obwohl dieses nicht dargestellt ist, kann ein Finger so ausgebildet sein, daß er am Einlaß mit einem Bereich mit einem kleinen Querschnitt beginnt, um eine hohe Geschwindigkeit der strömenden Flüssigkeit zu erzeugen. Der bestimmte Finger bzw. Kanal kann auch so ausgebildet sein, daß sich sein Querschnitt an einem stromabwärts gelegenen Auslaß vergrößert, um eine niedrigere Strömungsgeschwindigkeit zu erzeugen. Die Ausbildung des Fingers bzw. Kanals gestattet es dem Wärmetauscher, den Druckverlust zu minimalisieren und das Kühlen von Heißstellen in Bereichen zu optimieren, in denen das Flüssigkeitsvolumen und die Beschleunigung und Geschwindigkeit der Flüssigkeit aufgrund ihrer Umformung von flüssig in dampfförmig in eine Zwei-Phasen-Strömung anwachsen.
Weiterhin können die Finger 118, 120 und Kanäle 116, 122 so ausgebildet sein, daß sie sich entlang ihrer Länge erweitern und sodann wieder verengen, um die Geschwindigkeit der Flüssigkeit an unterschiedlichen Stellen des Mikrokanal-Wärmetauschers 110 zu erhöhen. Alternativ kann es zweckmäßig sein, die Dimensionen der Finger und Kanäle von groß nach klein und wieder zurück mehrfach zu variieren, um die Effizienz der Wärmeübertragung auf die erwartete Wärmeabgabeverteilung über die Heißquelle 99 zuzuschneiden. Es sei darauf verwiesen, daß die vorstehende Diskussion einer Variierung der Dimensionen der Finger und Kanäle sich auch auf die anderen Ausgestaltungen bezieht und nicht auf die vorstehend erörterte Ausgestaltung beschränkt ist.
Alternativ enthält die Verteilerschicht 106 eine oder mehrere Öffnungen 119 in den Einlaßfingern 118, wie in 3A gezeigt ist. Bei dem Drei-Etagen-Wärmetauscher 100 strömt die Flüssigkeit, die entlang den Fingern 118 strömt, durch die Öffnungen 119 nach unten zu der Zwischenschicht 104. Alternativ kann die entlang den Fingern 118 strömende Flüssigkeit bei einem Zwei-Etagen-Wärmetauscher 100 durch die Öffnungen 119 nach unten direkt in die Grenzschicht 102 strömen. Weiterhin enthält die Verteilerschicht 106, wie in 3A gezeigt ist, Öffnungen 121 in den Auslaßfingern 120. Bei dem Drei-Etagen-Wärmetauscher 100 strömt die Flüssigkeit von der Zwischenschicht 104 aufwärts durch die Öffnungen 121 in die Auslaßfinger 120. Alternativ fließt die Flüssigkeit bei dem Zwei-Etagen-Wärmetauscher 100 von der Grenzschicht 102 durch die Öffnungen 121 direkt aufwärts in die Auslaßfinger 120.
Bei der in 3A gezeigten Ausgestaltung sind die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 offene Kanäle ohne Öffnungen. Die Bodenfläche 103 der Verteilerschicht 106 stößt gegen die Oberfläche der Zwischensicht 104 bei dem Drei-Etagen-Wärmetauscher 100, oder sie stößt gegen die Grenzschicht 102 bei dem Zwei-Etagen-Wärmetauscher. Demgemäß fließt bei dem Drei-Etagen-Wärmetauscher 100 Flüssigkeit frei zu und von der Zwischenschicht 104 und der Verteilerschicht 106. Die Flüssigkeit wird durch Leitungen 105 in der Zwischenschicht 104 zu und von dem Grenzschicht-Heißstellen-Bereich geführt. Es ist für den Fachmann erkennbar, daß die Leitungen 105 direkt zu den Fingern ausgerichtet sind, wie unten beschrieben ist, oder woanders in dem Drei-Etagen-System angeordnet sein können.
3B zeigt eine Explosionsdarstellung des Drei-Etagen-Wärmetauschers 100 mit einer anderen erfindungsgemäßen Verteilerschicht. Alternativ kann der Wärmetauscher 100 eine zweischichtige Struktur aufweisen, welche die Verteilerschicht 106 und die Grenzschicht 102 enthält, wobei Flüssigkeit direkt zwischen der Verteilerschicht 106 und der Grenzschicht 102 strömt, ohne durch eine Zwischenschicht 104 zu strömen. Es ist für den Fachmann erkennbar, daß die Ausbildung der Verteilerschicht, der Zwischenschicht und der Grenzschicht lediglich beispielhaft ist und auf die beschriebenen Ausgestaltungen nicht begrenzt ist.
Wie in 3B gezeigt ist, weist die Zwischenschicht 104 mehrere Leitungen 105 auf, welche sich durch die Zwischenschicht erstrecken. Die Einströmleitungen 105 leiten einströmende Flüssigkeit von der Verteilerschicht 106 zu bestimmten Grenzschicht-Heißstellen-Bereichen der Grenzschicht 102. In ähnlicher Weise kanalisieren die Öffnungen 105 den Flüssigkeitsstrom von der Grenzschicht 102 zu dem (den) Auslaßanschluß (Auslaßanschlüssen) 109. Demgemäß sorgt die Zwischenschicht 104 auch für eine Flüssigkeitslieferung von der Grenzschicht 102 an den Auslaßanschluß 109, während der Auslaßanschluß 108 mit der Verteilerschicht 106 kommuniziert.
Die Leitungen 105 sind in der Grenzschicht 104 in einem vorgegebenen Muster angeordnet, welches auf einer Anzahl von Faktoren basiert, nämlich unter anderem den Stellen der Grenzschicht-Heißstellen-Bereiche, der erforderlichen Menge der Flüssigkeitsströmung in dem Grenzschicht-Heißstellen-Bereich zur entsprechenden Kühlung der Wärmequelle 99 und der Temperatur der Flüssigkeit. Die Leitungen haben eine Breite von 100 μ, obwohl andere Breiten bis zu mehreren Millimetern möglich sind. Weiterhin haben die Leitungen andere Abmessungen, welche wenigstens von den oben erwähnten Faktoren abhängen. Es ist für den Fachmann erkennbar, daß jede Leitung 105 der Zwischenschicht 104 die gleiche Form und/oder Abmessung besitzt, obwohl dieses nicht notwendig ist. Beispielsweise können die Leitungen wie die oben beschriebenen Finger alternativ variierende Längen- und/oder Breitenabmessungen aufweisen. Weiterhin können die Leitungen 105 eine konstante Tiefe bzw. Höhe über die Zwischenschicht 104 aufweisen. Alternativ können die Leitungen 105 über die Zwischenschicht 104 variierende Tiefenabmessungen aufweisen und beispielsweise als Trapezoid oder düsenförmig geformt sein. Obwohl die horizontale Form der Leitungen 105 in 2C rechtwinklig geformt gezeigt ist, können die Leitungen 105 alternativ jegliche andere Form aufweisen und beispielsweise kreisförmig (3A), gekrümmt oder elliptisch ausgebildet sein. Alternativ können eine oder mehrere der Leitungen 105 so geformt sein, daß sie einem Teil der oben beschriebenen Finger oder sämtlichen Fingern entsprechen.
Die Zwischenschicht 104 ist in dem Wärmetauscher 100 horizontal angeordnet, wobei die Leitungen 105 vertikal angeordnet sind. Alternativ kann die Zwischenschicht 104 in jeglicher anderer Richtung innerhalb des Wärmeaustauschers angeordnet sein, beispielsweise diagonal oder gekrümmt. Alternativ sind die Leitungen 105 in der Zwischenschicht 104 in horizontaler, diagonaler, gekrümmter oder irgendeiner anderen Richtung angeordnet. Weiterhin erstreckt sich die Zwischenschicht 104 horizontal über die gesamte Länge des Wärmetauschers 100, wobei die Zwischenschicht 104 die Grenzschicht 102 vollständig von der Verteilerschicht 106 abgrenzt, um die Flüssigkeit zu zwingen, durch die Leitungen 105 kanalisiert zu werden. Alternativ enthält ein Abschnitt des Wärmetauschers 100 nicht die Zwischenschicht 104 zwischen der Verteilerschicht 106 und der Grenzschicht 102, wobei Flüssigkeit frei zwischen diesen Schichten fließt. Weiterhin kann sich die Zwischenschicht 104 alternativ vertikal zwischen der Verteilerschicht 106 und der Grenzschicht 102 erstrecken, um separate bestimmte Zwischenabschnittsbereiche zu bilden. Alternativ erstreckt sich die Zwischenschicht 104 nicht vollständig von der Verteilerschicht 106 zur Grenzschicht 102.
3B zeigt eine perspektivische Ansicht der Grenzschicht 102 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 3B dargestellt ist, weist die Grenzschicht 102 eine Bodenfläche 103 und eine Vielzahl von Mikrokanal-Wänden 110 auf, wobei der Bereich zwischen den Mikrokanal-Wänden 110 Flüssigkeit entlang einem Flüssigkeitsströmungspfad kanalisiert. Die Bodenfläche 103 ist eben und hat eine hohe thermische Leitfähigkeit, um eine ausreichende Wärmeübertragung von der Wärmequelle 99 zu ermöglichen. Alternativ weist die Bodenfläche 103 trogartige Vertiefungen und/oder Erhebungen auf, um Flüssigkeit anzusammeln oder von einer bestimmten Stelle abzuweisen. Die Mikrokanal-Wände 110 sind parallel angeordnet, wie in 3B gezeigt ist, wobei die Flüssigkeit bevorzugt zwischen den Mikrokanal-Wänden 110 entlang einem Flüssigkeitspfad strömt. Alternativ haben die Mikrokanal-Wände 110 keine parallele Ausgestaltung.
Für den Fachmann ist es ersichtlich, daß die Mikrokanal-Wände 110 alternativ in jeglicher anderer geeigneter Konfiguration ausgebildet sein können, abhängig von den oben diskutier ten Faktoren. Zum Beispiel kann die Grenzschicht 102 alternativ Wellen bzw. Nuten zwischen Abschnitten von Mikrokanal-Wänden 110 aufweisen, wie dieses in 8C gezeigt ist. Weiterhin haben die Mikrokanal-Wände 110 Abmessungen, welche den Druckverlust bzw. Druckunterschied innerhalb der Grenzschicht 102 minimalisieren. Es ist auch erkennbar, daß außer Mikrokanal-Wänden 110 auch andere Merkmale wie Säulen (10), aufgerauhte Flächen oder eine mikroporöse Struktur möglich sind, wie gesintertes Metall oder Silikatschaum (10). Die in 3B gezeigten Mikrokanal-Wände 110 sind mithin lediglich beispielhaft, um die Grenzschicht 102 der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
Die Mikrokanal-Wände 110 ermöglichen der Flüssigkeit, entlang den ausgewählten Heißstellen des Grenzschicht-Heißstellenbereiches einem Wärmeaustausch unterworfen zu werden, um die Wärmequelle 99 an dieser Stelle zu kühlen. Die Mikrokanal-Wände 110 haben eine Breite innerhalb eines Bereiches von 20 – 300 μ und eine Höhe innerhalb eines Bereiches von 100 μ – 1 mm, abhängig von der Leistung der Heißquelle 99. Die Mikrokanal-Wände 110 haben eine Länge zwischen 100 μ und mehreren Zentimetern, abhängig von den Dimensionen der Wärmequelle sowie der Größe der Heißstellen und der Wärmeflußdichte der Wärmequelle. Alternativ sind jegliche andere Dimensionen für die Mikrokanal-Wände möglich. Die Mikrokanal-Wände 110 stehen in einem gegenseitigen Abstand, der in dem Bereich von 50 – 500 μ liegt, abhängig von der Leistung der Wärmequelle 99, obwohl jegliche andere Dimensionierung des Abstandes möglich ist.
In 3B ist die Oberseite der Verteilerschicht 106 fortgelassen, um die Kanäle 116, 122 und die Finger 118, 120 innerhalb des Körpers der Verteilerschicht 106 zeigen zu können. Die Stellen der Wärmequelle 99, welche mehr Wärme erzeugen, sind als Heißstellen bezeichnet, während die Stellen der Wärmequelle 99, welche weniger Wärme erzeugen, als Warmstellen bezeichnet sind. Wie in 3B gezeigt ist, hat die Wärmequelle 99 an der Stelle A einen Heißstellenbereich und der Stelle B einen Warmstellenbereich. Die Bereiche der Grenzschicht 102, welche an die Heiß- und Warmstellen anstoßen, sind demgemäß als Grenzschicht-Heißstellen-Bereiche bezeichnet. Wie in 3B gezeigt ist, weist die Grenzschicht 102 einen Grenzschicht-Heißstellen-Bereich A auf, welcher oberhalb der Stelle A angeordnet ist, und einen Grenzschicht-Heißstellen-Bereich B, welcher oberhalb der Stelle B angeordnet ist.
Wie in 3A und 3B gezeigt ist, tritt die Flüssigkeit zunächst durch den Einlaßanschluß 108 in den Wärmetauscher 110 ein. Die Flüssigkeit strömt sodann bevorzugt zu einem Einlaßkanal 116. Alternativ weist der Wärmetauscher 100 mehr als einen Einlaßkanal 116 auf. Wie in den 3A und 3B gezeigt ist, verzweigt sich Flüssigkeit, die entlang des Einlaßkanals 116 fließt, von dem Einlaßanschluß 108 aus in den Finger 118D. Weiterhin strömt die Flüssigkeit, welche entlang des Restes des Einlaßkanals 116 strömt zu individuellen Fingern 118B und 118C usw..
In 3B wird der Grenzschicht-Heißstellen-Bereich A mit Flüssigkeit versorgt, indem diese zu dem Finger 118A strömt, wobei Flüssigkeit durch den Fingern 118A nach unten zur Zwischenschicht 104 strömt. Die Flüssigkeit strömt sodann durch die Einlaßleitung 105A, die unter dem Finger 118A angeordnet ist, zur Grenzschicht 102, wobei die Flüssigkeit einem Wärmeaustausch mit der Wärmequelle 99 unterworfen wird. Die Flüssigkeit strömt entlang den Mikrokanälen 110, wie in 3B gezeigt ist, obwohl sie in jeglicher anderer Richtung entlang der Grenzschicht 102 strömen kann. Die erwärmte Flüssigkeit strömt sodann aufwärts durch die Leitung 105B zu dem Auslaßfinger 120A. In ähnlicher Weise strömt Flüssigkeit in Z-Richtung durch Finger 118E und 118F nach unten zur Zwischenschicht 104. Die Flüssigkeit strömt sodann durch die Einlaßleitung 105C nach unten in Z-Richtung zu der Grenzschicht 102. Die erwärmte Flüssigkeit strömt sodann aufwärts in Z-Richtung von der Grenzschicht 102 durch die Auslaßleitung 105D zu den Auslaßfingern 120E und 120F. Der Wärmetauscher 100 entfernt die erwärmte Flüssigkeit in der Grenzschicht 106 über die Auslaßfinger 120, wobei die Auslaßfinger 120 mit dem Auslaßkanal 122 kommunizieren. Der Auslaßkanal 122 ermöglicht es der Flüssigkeit, durch einen Auslaßanschluß 109 aus dem Wärmetauscher zu strömen.
Bei einer Ausgestaltung sind die Einlaß- und Auslaßleitungen 105 direkt oder nahezu direkt über den entsprechenden Grenzschicht-Heißstellen-Bereichen angeordnet, um Flüssigkeit direkt zu den Heißstellen der Wärmequelle 99 zu führen. Weiterhin ist jeder Auslaßfinger 120 so nahe wie möglich zu einem betreffenden Einlaßfinger 119 für einen bestimmten Grenzschicht-Heißstellen-Bereich angeordnet, um den Druckverlust dazwischen zu minimalisieren. Demgemäß tritt Flüssigkeit in die Grenzschicht 102 über den Einlaßfinger 118A ein und strömt über die zumindest erforderliche Distanz entlang der Bodenfläche 103 der Grenzschicht 102 bevor sie die Grenzschicht 102 zum Auslaßfinger 120A verläßt. Es ist ersichtlich, daß die Größe der Distanz, über welche die Flüssigkeit entlang der Bodenfläche 103 fließt, in geeigneter Weise von der Wärmequelle 99 erzeugte Wärme abführt, ohne einen unnötig hohen Druckverlust zu erzeugen. Weiterhin sind die Ecken der Finger 118, 120 gekrümmt, wie in den 3A und 3B gezeigt ist, um den Druckverlust der entlang der Finger 118 strömenden Flüssigkeit zu reduzieren.
Es ist für den Fachmann erkennbar, daß die Ausbildung der in den 3A und 3B gezeigten Verteilerschicht 106 nur beispielhaften Zwecken dient. Die Ausbildung der Kanäle 116 und der Finger 118 in der Verteilerschicht 106 hängen von einer Anzahl von Faktoren ab, welche u.a. die Stellen der Grenzschicht-Heißstellen-Bereiche, die Strömungsmenge zu und von den Grenzschicht-Heißstellen-Bereichen sowie die von der Wärmequelle in den Grenzschicht-Heißstellen-Bereichen erzeugte Wärmemenge einschließen. Beispielsweise weist die bevorzugte Konfiguration der Verteilerschicht 106 ein ineinanderfassendes Muster von parallelen Einlaß- und Auslaßfingern auf, welche längs der Breite der Verteilerschicht angeordnet ist, wie in den 4 – 7A gezeigt und weiter unten diskutiert ist. Nichtsdestoweniger ist jegliche andere Konfiguration der Kanäle 116 und der Finger 118 möglich.
4 zeigt eine perspektivische Darstellung der bevorzugten Verteilerschicht 406 gemäß dem Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung. Die Verteilerschicht 406 in 4 umfaßt bevorzugt eine Mehrzahl von miteinander verwobenen bzw. fingerförmig ineinandergreifenden parallelen Flüssigkeitsfingern 411, 412, welche einer Ein-Phasen- und/oder Zwei-Phasen- Flüssigkeit ermöglichen, zu der Grenzschicht 402 zu zirkulieren, ohne daß dabei innerhalb des Wärmetauschers 400 und des Systems 30 (2A) ein wesentlicher Druckabfall auftritt. Wie 8 zeigt, sind die Einlaßfinger 411 alternierend mit den Auslaßfingern 412 angeordnet. Es ist jedoch für einen Fachmann erkennbar, daß eine bestimmte Anzahl von Einlaß- oder Auslaßfingern benachbart zueinander angeordnet werden kann, und daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausgestaltung gemäß 4 beschränkt ist. Weiterhin können die Finger alternativ so gestaltet sein, daß ein paralleler Finger sich zu einem anderen parallelen Finger verzweigt oder mit diesem verbunden ist. Demgemäß ist es möglich, erheblich mehr Einlaßfinger als Auslaßfinger zu haben und umgekehrt.
Die Einlaßfinger oder Passagen 411 versorgen die Grenzschicht 402 mit in den Wärmetauscher eintretender Flüssigkeit, und die Auslaßfinger bzw. Passagen 412 führen die Flüssigkeit von der Grenzschicht 402 ab, welche den Wärmetauscher 400 sodann verläßt. Die bevorzugte Ausgestaltung der Verteilerschicht 406 ermöglicht es der Flüssigkeit, in die Grenzschicht 402 einzutreten und über eine sehr kurze Distanz in der Grenzschicht 402 zu strömen, bevor sie in die Auslaßpassage 412 eintritt. Die wesentliche Verminderung der Länge, über welche die Flüssigkeit längs der Grenzschicht 402 strömt, führt zu einer wesentlichen Verkleinerung des Druckabfalls in dem Wärmetauscher 400 und dem System 30 (2A).
Wie in den 4 – 5 gezeigt ist, weist die bevorzugte Verteilerschicht 406 eine Passage 414 auf, welche mit zwei Einlaßpassagen 411 kommuniziert und diese mit Flüssigkeit versorgt. Wie in den 8 – 9 gezeigt ist, weist die Verteilerschicht 406 drei Auslaßpassagen 412 auf, die mit der Passage 418 kommunizieren. Bevorzugt haben die Passagen 414 in der Verteilerschicht 406 eine ebene Bodenfläche, welche die Flüssigkeit zu den Fingern 411, 412 kanalisiert. Alternativ ist die Passage 414 etwas geneigt, was die Flüssigkeit beim Kanalisieren zu ausgewählten Flüssigkeitspassagen 411 unterstützt. Alternativ weist die Einlaßpassage 414 eine oder mehrere Öffnungen in ihrer Bodenfläche auf, welche es einem Teil der Flüssigkeit ermöglichen, nach unten zu der Grenzschicht 402 zu strömen. In ähnlicher Weise hat die Passage 418 in der Verteilerschicht einen ebenen Boden, welcher die Flüssigkeit aufnimmt und sie zum Anschluß 408 kanalisiert. Alternativ hat die Passage 418 eine geringfügige Neigung, welche das Kanalisieren der Flüssigkeit zu ausgewählten Auslaßanschlüssen 408 unterstützt. Weiterhin haben die Passagen 414, 418 eine Breite von etwa 2 mm, obwohl jegliche andere Breitendimension alternativ möglich ist.
Die Passagen 414, 418 kommunizieren mit Anschlüssen 408, 409, wobei die Anschlüsse an die Flüssigkeitslinien 38 in dem System 30 (2A) angeschlossen sind. Die Verteilerschicht 406 weist bevorzugt horizontal angeordnete Flüssigkeitsanschlüsse 408, 409 auf. Alternativ umfaßt die Verteilerschicht 406 vertikal und/oder diagonal angeordnete Flüssigkeitsanschlüsse 408, 409, wie unten erörtert, obwohl in den 4 – 7 nicht dargestellt. Alternativ weist die Verteilerschicht 406 keine Passage 414 auf. Demgemäß wird die Flüssigkeit den Fingern 411 von den Anschlüssen 408 direkt zugeführt. Wenn die Verteilerschicht 411 alternativ keine Passagen 418 aufweist, strömt die Flüssigkeit in den Fingern 412 direkt durch die Anschlüsse 408 aus dem Wärmetauscher 400. Auch wenn zwei Anschlüsse 408 dargestellt sind, die mit den Passagen 414, 418 kommunizieren, kann alternativ jegliche andere Anzahl von Anschlüssen verwendet werden.
Die Einlaßpassagen 411 haben bevorzugt Abmessungen, welche es der Flüssigkeit ermöglichen, zu der Grenzschicht zu strömen, ohne längs der Passagen 41 und des Systems 30 (2A) einen hohen Druckabfall zu erzeugen. Die Einlaßpassagen 411 haben bevorzugt eine Breite im Bereich von 0,25 – 5,00 mm, obwohl jegliche anderen Breitendimensionen alternativ möglich sind. Weiterhin haben die Einlaßpassagen 411 vorzugsweise eine Länge im Bereich von 0,5 mm bis zum Dreifachen der Länge der Wärmequelle. Alternativ sind auch andere Längen möglich. Wie oben ausgeführt ist, erstrecken sich die Einlaßpassagen 411 weiterhin nach unten bis zur Höhe oder geringfügig oberhalb der Höhe der Mikrokanäle 410, so daß die Flüssigkeit direkt zu den Mikrokanälen 410 kanalisiert wird. Die Einlaßpassagen 411 haben bevorzugt eine Höhe im Bereich von 0,25 – 5,00 mm. Es ist für einen Fachmann erkennbar, daß sich die Passagen 411 nicht nach unten zu den Mikrokanälen 410 erstrecken, und daß alternativ jegliche andere Höhe möglich ist. Es ist für einen Fachmann erkennbar, daß die Einlaßpassagen 411 alternativ unterschiedliche Dimensionen aufweisen können, obwohl sie mit den gleichen Dimensionen dargestellt sind. Weiterhin können die Einlaßpassagen 411 alternativ variierende Breiten, Querschnittsabmessungen und/oder Abstände zu benachbarten Fingern aufweisen. Insbesondere kann die Passage 411 Bereiche größerer Breite oder Tiefe wie auch Abschnitte mit geringeren Breiten und Tiefen entlang ihrer Länge aufweisen. Die variierten Abmessungen ermöglichen es, daß mehr Flüssigkeit an vorbestimmte Grenzschicht-Heißstellen-Bereiche in der Grenzschicht 402 durch weitere Abschnitte geliefert wird, während die Strömung zu Warmstellenbereichen durch engere Abschnitte vermindert wird.
Weiterhin haben die Auslaßpassagen 412 bevorzugt Abmessungen, welche es der Flüssigkeit ermöglichen, zu der Grenzschicht zu strömen, ohne einen großen Druckabfall längs der Passagen 412 sowie des Systems 30 (2A) zu erzeugen. Die Auslaßpassagen 412 haben bevorzugt eine Breite im Bereich von 0,25 – 5,00 mm, obwohl jegliche andere Breite alternativ möglich ist. Weiterhin haben die Auslaßpassagen 412 bevorzugt eine Länge im Bereich von 0,5 mm und dem Dreifachen der Länge der Wärmequelle. Weiterhin erstrecken sich die Auslaßpassagen 412 nach unten zu der Höhe der Mikrokanäle 410, so daß die Flüssigkeit leicht aufwärts in die Auslaßpassagen 412 strömt, nachdem sie horizontal durch die Mikrokanäle 410 geströmt ist. Die Einlaßpassagen 411 haben bevorzugt eine Höhe im Bereich von 0,25 – 5,00 mm, obwohl jede andere Höhe alternativ möglich ist. Es ist für den Fachmann erkennbar, daß die Auslaßpassagen 412 die gleichen Abmessungen aufweisen, obwohl es auch möglich ist, daß die Auslaßpassagen 412 alternativ unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Die Einlaßpassage 412 weist alternativ unterschiedliche Breiten, Querschnittsabmessungen und/oder Abstände zu benachbarten Fingern auf.
Die Einlaß- und Auslaßpassagen 411, 412 sind bevorzugt in Segmente unterteilt und unterscheiden sich voneinander, wie dieses in den 4 und 5 dargestellt ist, wobei Flüssigkeit sich zwischen den Passagen nicht miteinander vermischt. Wie in 8 gezeigt ist, sind zwei Auslaßpassagen längs den äußeren Rändern der Verteilerschicht 406 angeordnet und eine Auslaßpassage 412 ist in der Mitte der Verteilerschicht 406 angeordnet. Weiterhin sind zwei Einlaßpassagen 411 an benachbarten Seiten der mittleren Auslaßpassage 412 angeordnet. Diese besondere Ausgestaltung verursacht, daß in die Grenzschicht 402 eintretende Flüssigkeit über eine kurze Distanz in der Grenzschicht 402 strömt, bevor sie aus der Grenzschicht 402 durch die Auslaßpassage 412 strömt. Es ist jedoch für einen Fachmann erkennbar, daß die Einlaß- und Auslaßpassagen auch in irgendeiner anderen geeigneten Konfiguration angeordnet sein können, und daß ihre Anordnung und Ausbildung daher nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt sind. Die Anzahl der Einlaß- und Auslaßfinger 411, 412 beträgt mehr als drei innerhalb der Verteilerschicht 406, jedoch weniger als zehn pro Zentimeter über die Verteilerschicht 406. Es ist ebenfalls für den Fachmann erkennbar, daß jede andere Anzahl von Einlaß- und Auslaßpassagen verwendet werden kann, und daß die in der vorliegenden Offenbarung gezeigte und beschriebene Anzahl daher nicht begrenzend ist.
Bevorzugt ist die Verteilerschicht 406 an die Zwischenschicht (nicht gezeigt) gekoppelt, wobei die Zwischenschicht (nicht gezeigt) an die Grenzschicht 402 gekoppelt ist, um einen Drei-Etagen-Wärmetauscher 400 zu bilden. Bezüglich der hier diskutierten Zwischenschicht wird auf die oben unter Bezugnahme auf die 3B erläuterte Ausgestaltung verwiesen. Die Verteilerschicht 406 kann alternativ an die Grenzschicht 402 gekoppelt und oberhalb der Grenzschicht 402 angeordnet sein, um einen Zwei-Etagen-Wärmetauscher 400 zu bilden, wie in 7A gezeigt ist. Die 6A – 6C zeigen schematische Querschnittsdarstellungen der bevorzugten Grenzschicht 406, die bei dem Zwei-Etagen-Wärmetauscher an die Grenzschicht 402 gekoppelt ist. 6A zeigt den Querschnitt des Wärmetauschers 400 entlang der Linie A – A in 5. Weiterhin zeigt 6B den Querschnitt des Wärmetauschers 400 längs der Linie B – B und 6C zeigt den Querschnitt des Wärmetauschers 400 längs der Linie C – C in 5. Wie oben ausgeführt ist, erstrecken sich die Ein- und Auslaßpassagen 411, 412 von der Oberseite zur Bodenfläche der Verteilerschicht 406. Wenn die Verteilerschicht 406 und die Grenzschicht 402 aneinandergekoppelt sind, befinden sich die Einlaß- und Auslaßpassagen 411, 412 an der bzw. geringfügig oberhalb der Höhe der Mikrokanäle 410 in der Grenzschicht 402. Diese Ausbildung bewirkt, daß die Flüssigkeit von den Einlaßpassagen 411 leicht durch die Mikrokanäle 410 strömt. Weiterhin bewirkt diese Ausbildung, daß die durch die Mikroka näle fließende Flüssigkeit leicht durch die Auslaßpassagen 412 aufwärts strömt, nachdem sie durch die Mikrokanäle 410 geflossen ist.
Bei der bevorzugten Ausgestaltung ist die Zwischenschicht 104 (3B) zwischen der Verteilerschicht 406 und der Grenzschicht 402 angeordnet, obwohl dieses in den Zeichnungsfiguren nicht gezeigt ist. Die Zwischenschicht 104 (3B) kanalisiert den Flüssigkeitsstrom zu vorbestimmten Grenzschicht-Heißstellen-Bereichen der Grenzschicht 402. Weiterhin wird die Zwischenschicht 104 (3B) bevorzugt dafür benutzt, um einen gleichförmigen Flüssigkeitsstrom zu erzeugen, der in die Grenzschicht 402 eintritt. Auch wird die Zwischenschicht 104 bevorzugt dafür verwendet, um den Grenzschicht-Heißstellen-Bereichen in der Grenzschicht 402 Flüssigkeit zuzuführen, um die Heißstellen angemessen zu kühlen und eine gleichmäßige Temperatur der Heizquelle 99 zu erzeugen. Obwohl die Ein- und Auslaßpassagen 411, 412 bevorzugt nahe oder oberhalb der Heißstellen der Wärmequelle 99 angeordnet sind, um die Heißstellen angemessen zu kühlen, ist dieses nicht unbedingt notwendig.
7A zeigt eine Explosionsdarstellung einer anderen Verteilerschicht 406 mit einer alternativen Grenzschicht 102 gemäß der vorliegenden Erfindung. Bevorzugt weist die Grenzschicht 102 kontinuierliche bzw. durchgehende Anordnungen von Mikrokanal-Wänden 110 auf, wie in 3B gezeigt ist. Während des Betriebes tritt Flüssigkeit, ähnlich wie bei der bevorzugten Verteilerschicht 106 gemäß 3B, in die Verteilerschicht 406 an einem Flüssigkeitsanschluß 408 ein und strömt durch die Passage 414 in Richtung auf die Flüssigkeitsfinger bzw. Passagen 411. Die Flüssigkeit tritt durch die Öffnung der Einlaßfinger 411 und strömt bevorzugt in X-Richtung über die Länge der Finger 411, wie durch Pfeile gezeigt ist. Weiterhin strömt die Flüssigkeit in Z-Richtung nach unten zu der Grenzschicht 402, welche unterhalb der Verteilerschicht 406 positioniert ist. Wie in 7A gezeigt ist, überquert die Flüssigkeit die Grenzschicht 402 entlang der Bodenfläche in der X- und Y-Richtung der Grenzschicht 402 und führt einen Wärmeaustausch mit der Wärmequelle 99 durch. Die erwärmte Flüssigkeit tritt aus der Grenzschicht 402 vorzugsweise durch Aufwärtsfließen in Z-Richtung über die Auslaßfinger 412 aus, wobei die Auslaßfinger 412 die erwärmte Flüssigkeit zur Passage 418 in der Verteilerschicht 406 in X-Richtung kanalisieren. Die Flüssigkeit strömt sodann entlang der Passage 418 und verläßt den Wärmetauscher durch Ausfluß aus dem Anschluß 409.
Die in 7A gezeigte Grenzschicht enthält eine Anzahl von Rillen bzw. Nuten 416, die zwischen Sätzen von Mikrokanälen 410 angeordnet sind und die Flüssigkeit beim Kanalisieren zu und von den Passagen 411, 412 unterstützen. Die Nuten 416A sind direkt unterhalb der Einlaßpassagen 411 der anderen Verteilerschicht 406 angeordnet, wobei Flüssigkeit, die in die Grenzschicht 402 über die Einlaßpassagen 411 eintritt, direkt zu den der Nut 416A benachbarten Mikrokanälen kanalisiert wird. Die Nuten 416A ermöglichen es mithin der Flüssigkeit, direkt in spezifisch vorgesehene Strömungspfade von den Einlaßpassagen 411 kanalisiert zuwerden, wie in 5 gezeigt ist. In ähnlicher Weise enthält die Grenzschicht 402 Nuten bzw. Rillen 416B, welche direkt unterhalb der Auslaßpassagen 412 in Z-Richtung angeordnet sind. Flüssigkeit, welche horizontal entlang der Mikrokanäle 410 in Richtung auf die Auslaßpassagen fließt, wird daher horizontal zu den Nuten 416B und vertikal zu der Auslaßpassage 412 über den Nuten 416B kanalisiert.
6A zeigt den Querschnitt des Wärmetauschers 400 mit der Verteilerschicht 406 und der Grenzschicht 402. Insbesondere zeigt 6A die Einlaßpassagen 411, die mit den Auslaßpassagen 412 gleichsam ineinandergreifen bzw. verwoben sind, wobei die Flüssigkeit durch die Einlaßpassagen 411 nach unten und durch die Auslaßpassagen 412 nach oben strömt. Weiterhin zeigt 6A, daß die Flüssigkeit horizontal durch die Mikrokanal-Wände 410 strömt, welche zwischen den Einlaß- und Auslaßpassagen angeordnet und durch die Mikrokanäle 410 getrennt sind. Alternativ sind die Mikrokanal-Wände durchgehend (3B) und nicht durch Nuten getrennt. Wie in 6A gezeigt ist, haben die Einlaß- und/oder Auslaßpassagen 411 an ihren Enden an der Stelle nahe der Nuten 416 eine gekrümmte Fläche 420. Die gekrümmte Fläche 420 leitet die die Passage 411 hinabströmende Flüssigkeit zu den Mikrokanälen 410, welche benachbart der Passage 411 angeordnet sind. So wird die in die Grenzschicht 102 eintretende Flüssigkeit einfacher zu den Mikrokanälen 410 geleitet als wenn sie direkt zu der Nut 416A strömt. In ähnlicher Weise unterstützt die gekrümmte Fläche 420 in der Auslaßpassage 412 die Führung der Flüssigkeit von den Mikrokanälen 410 zu der äußeren Passage 412.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel, welches in 7B gezeigt ist, weist die Grenzschicht 402' eine Einlaßpassage 411' und eine Auslaßpassage 412' auf, wie sie oben mit Bezug auf die Verteilerschicht 406 (8 – 9) diskutiert worden sind. Bei dem alternativen Ausführungsbeispiel wird die Flüssigkeit von dem Anschluß 408' direkt zu der Grenzschicht 402' geführt. Die Flüssigkeit strömt entlang der Passage 414' in Richtung auf die Einlaßpassagen 411'. Die Flüssigkeit strömt sodann quer entlang den Mikrokanälen 410' und unterliegt einem Wärmeaustausch mit der Wärmequelle (nicht gezeigt), und strömt zu den Auslaßpassagen 412'. Die Flüssigkeit strömt sodann entlang den Auslaßpassagen 412' zur Passage 418', wobei die Flüssigkeit die Grenzschicht 402' über den Anschluß 409' verläßt. Die Anschlüsse 408', 409' sind in der Grenzschicht 402 angeordnet und alternativ in der Verteilerschicht 406 (7A).
Obwohl alle Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung mit horizontaler Betriebsweise dargestellt sind, ist es für einen Fachmann erkennbar, daß der erfindungsgemäße Wärmetauscher alternativ in einer vertikalen Position arbeiten kann. Wenn in vertikaler Position gearbeitet wird, sind die Wärmetauscher alternativ so ausgebildet, daß jede Einlaßpassage oberhalb einer benachbarten Auslaßpassage angeordnet ist. Demgemäß tritt Flüssigkeit in die Grenzschicht durch die Einlaßpassagen ein und wird auf natürliche Weise zu einer Auslaßpassage kanalisiert. Es ist außerdem ersichtlich, daß jede andere Konfiguration der Verteilerschicht und der Grenzschicht alternativ für eine vertikale Betriebsweise des Wärmetauschers genutzt werden kann.
Die 8A – 8C zeigen Draufsichten auf eine andere Ausgestaltung des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung. 8A zeigt eine Draufsicht auf eine anders ausgebildete Verteilerschicht 206 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die 8B und 8C zeigen eine Draufsicht auf eine Zwischenschicht 204 und eine Grenzschicht 202. Weiterhin zeigt 9A einen Drei-Etagen-Wärmetauscher, welcher die anders ausgebildete Verteilerschicht 206 benutzt, während 9B einen Zwei-Etagen-Wärmetauscher zeigt, welcher die anders ausgebildete Verteilerschicht 206 benutzt.
Wie in den 8A und 9A gezeigt ist, weist die Verteilerschicht 206 eine Mehrzahl von horizontal und vertikal angeordneten Flüssigkeitsanschlüssen 208 auf. Alternativ können die Flüssigkeitsanschlüsse 208 diagonal oder in jeglicher anderen Richtung bezüglich der Verteilerschicht 206 angeordnet sein. Die Flüssigkeitsanschlüsse 208 sind an ausgewählten Stellen der Verteilerschicht 206 plaziert, um in effektiver Weise Flüssigkeit an vorgegebene Grenzschicht-Heißstellen-Bereiche in dem Wärmetauscher 200 zu liefern. Die mehrfachen Flüssigkeitsanschlüsse 208 schaffen einen signifikanten Vorteil, weil Flüssigkeit direkt von einem Flüssigkeitsanschluß an einen bestimmten Grenzschicht-Heißstellen-Bereich geliefert werden kann, ohne den Druckabfall in dem Wärmetauscher 200 in signifikanter Weise zu vergrößern. Weiterhin sind die Flüssigkeitsanschlüsse 208 auch in der Verteilerschicht 206 positioniert, um Flüssigkeit in den Grenzschicht-Heißstellen-Bereichen zu ermöglichen, mit geringstem Abstand zum Auslaßanschluß 208 zu strömen, so daß die Flüssigkeit eine gleichmäßige Temperatur erhält, während ein minimaler Druckverlust zwischen den Einlaß- und Auslaßanschlüssen 208 erhalten wird. Weiterhin unterstützt der Gebrauch der Grenzschicht 206 eine Stabilisierung einer Zwei-Phasen-Strömung innerhalb des Wärmetauschers 200, weil sie für eine gleichmäßig verteilte, gleichförmige Strömung über die Grenzschicht 202 sorgt. Es sei darauf verwiesen, daß alternativ mehr als eine Verteilerschicht 206 in dem Wärmetauscher 200 angeordnet sein kann, wobei eine Verteilerschicht 206 die Flüssigkeit in den und aus dem Wärmetauscher 200 leitet und eine andere Verteilerschicht (nicht gezeigt) die Geschwindigkeit der Flüssigkeitszirkulation zum Wärmetauscher 200 steuert. Alternativ können alle der mehreren Verteilerschichten 206 Flüssigkeit zu ausgewählten entsprechenden Grenzschicht-Heißstellen-Bereichen in der Grenzschicht 202 leiten.
Die alternative Verteilerschicht 206 hat laterale Abmessungen, die ziemlich genau zu den Abmessungen der Grenzschicht 202 passen. Weiterhin hat die Verteilerschicht 206 die gleichen Dimensionen wie die Wärmequelle 99. Alternativ kann die Verteilerschicht 206 größer als die Wärmequelle 99 sein. Die vertikalen Abmessungen der Verteilerschicht 206 liegen innerhalb des Bereiches von 0,1 und 10 mm. Weiterhin können die Öffnungen in der Verteilerschicht 206, welche die Flüssigkeitsanschlüsse 208 aufnehmen, dimensionsmäßig im Bereich zwischen 1 mm und der gesamten Breite bzw. Länge der Wärmequelle 99 liegen.
11 zeigt eine gebrochene perspektivische Darstellung eines Drei-Etagen-Wärmetauschers 200 mit der anderen Grenzschicht 206 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 11 gezeigt ist, ist der Wärmetauscher 200 in separate Bereiche unterteilt, abhängig von der Menge der entlang dem Körper der Heizquelle 99 erzeugten Wärme. Die unterteilten Bereiche sind durch die vertikale Zwischenschicht 204 und/oder Mikrokanal-Wände 210 in der Grenzschicht 202 voneinander getrennt. Es ist jedoch für einen Fachmann erkennbar, daß die in 11 gezeigte Anordnung nicht auf diese Konfiguration beschränkt ist, sondern daß diese nur beispielhaft dargestellt ist.
Wie in 3 gezeigt ist, hat die Wärmequelle 99 eine Heißstelle an der Stelle A und eine Warmstelle an der Stelle B, wobei die Heißstelle an der Stelle A mehr Wärme erzeugt als die Warmstelle an der Stelle B. Es ist ersichtlich, daß die Wärmequelle 99 mehr als eine Heißstelle und mehr als eine Warmstelle an jeder Stelle zu gegebener Zeit haben kann. Da die Stelle A bei dem Beispiel eine Heißstelle ist und an der Stelle A mehr Wärme auf die Grenzschicht 202 über der Stelle A überträgt (in 11 als Grenzschicht-Heißstellen-Bereich A bezeichnet), wird dem Grenzschicht-Heißstellen-Bereich A im Wärmetauscher 200 mehr Flüssigkeit und/oder Flüssigkeit mit höherer Strömungsgeschwindigkeit zur Verfügung gestellt, um die Stelle A adäquat zu kühlen. Obwohl der Grenzschicht-Warmstellen-Bereich B größer gezeigt ist als der Grenzschicht-Heißstellen-Bereich A, ist es nachvollziehbar, daß die Grenzschicht-Bereiche A und B wie auch jegliche anderen Grenzschicht-Heißstellen-Bereiche des Wärmetauschers 200 relativ zueinander jegliche Größe und/oder Konfiguration aufweisen können.
Alternativ, wie in 11 gezeigt, kann die über Flüssigkeitsanschlüsse 208A in den Wärmetauscher eintretende Flüssigkeit zu dem Grenzschicht-Heißstellen-Bereich A durch Strömen entlang der Zwischenschicht 204 zu den Einflußleitungen 205A geleitet werden. Die Flüssigkeit strömt dann nach unten durch die Einflußleitungen 205A in Z-Richtung in den Grenzschicht-Heißstellen-Bereich A der Grenzschicht 202. Die Flüssigkeit strömt zwischen den Mikrokanälen 210A, wobei Wärme von der Stelle A auf die Flüssigkeit durch Leitung durch die Grenzschicht 202 übergeht. Die erwärmte Flüssigkeit strömt entlang der Grenzschicht 202 in den Grenzschicht-Heißstellen-Bereich A in Richtung auf den Auslaßanschluß 209A, wo die Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher 200 austritt. Es ist für einen Fachmann erkennbar, daß jegliche Anzahl von Einlaßanschlüssen 208 und Auslaßanschlüssen 209 für einen bestimmten Grenzschicht-Heißstellen-Bereich oder mehrere solche Bereiche verwendet werden können. Obwohl der Auslaßanschluß 209A nahe der Grenzschicht 202A gezeigt ist, kann der Auslaßanschluß 209A alternativ an jeder anderen Stelle vertikal positioniert sein, ggf. auch an der Verteilerschicht 209B.
In ähnlicher Weise hat bei dem in 11 gezeigten Beispiel die Wärmequelle 99 an der Stelle B eine Warmstelle, welche weniger Wärme als die Stelle A der Wärmequelle 99 erzeugt. Durch den Anschluß 208B eintretende Flüssigkeit wird zu dem Grenzschicht-Warmstellen-Bereich B durch Strömen entlang der Zwischenschicht 204B zu den Einströmleitungen 205B geführt. Die Flüssigkeit strömt sodann durch die Einströmleitungen 205B nach unten in Z-Richtung in den Grenzschicht-Warmstellen-Bereich B der Grenzschicht 202. Die Flüssigkeit strömt zwischen den Mikrokanälen 210 in X- und Y-Richtung, wobei von der Wärmequelle an der Stelle B erzeugte Wärme auf die Flüssigkeit übertragen wird. Die erwärmte Flüssigkeit strömt entlang der gesamten Grenzschicht 202B im Grenzschicht-Warmstellen-Bereich B aufwärts zu den Auslaßanschlüssen 209B in Z-Richtung über die Ausströmleitungen 205B in der Zwischenschicht 204, wobei die Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher 200 austritt.
Alternativ kann der Wärmetauscher 200, wie in 9A gezeigt ist, eine dampfdurchlässige Membran 214 aufweisen, die über der Grenzschicht 202 positioniert ist. Die dampfdurchlässi ge Membran 214 ist in abdichtendem Kontakt mit den inneren Seitenwänden des Wärmetauschers 200. Die Membran hat mehrere kleine Öffnungen, die es Dampf, der entlang der Grenzschicht 202 erzeugt worden ist, ermöglichen, hierdurch zu dem Auslaßanschluß 209 zu gelangen. Die Membran 214 ist außerdem hydrophob, um zu verhindern, daß entlang der Grenzschicht 202 strömende Flüssigkeit durch die Öffnungen der Membran 214 gelangt. Weitere Einzelheiten der dampfdurchlässigen Membran 214 sind in der am 12. Februar 2003 unter der Bezeichnung „Vapour Escape Microchannel Heat Exchanger" angemeldeten US-Patentanmeldung Nr. 10/366 128 offenbart, auf welche hierdurch Bezug genommen wird.
Der Mikrokanal-Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung kann alternativ andere Konfigurationen aufweisen, die oben nicht beschrieben sind. Beispielsweise kann der Wärmetauscher alternativ eine Verteilerschicht aufweisen, welche den Druckabfall innerhalb des Wärmetauschers mittels separat abgedichteter Ein- und Auslaßöffnungen minimalisiert, welche zur Grenzschicht führen. Dabei strömt Flüssigkeit direkt zur Grenzschicht durch Einlaßöffnungen und unterliegt in der Grenzschicht einem Wärmeaustausch. Die Flüssigkeit tritt sodann aus der Grenzschicht aus, indem sie direkt durch Auslaßöffnungen strömt, die benachbart zu den Einlaßöffnungen angeordnet sind. Diese poröse Konfiguration der Verteilerschicht minimalisiert den Abstand, über den die Flüssigkeit zwischen den Einlaß- und Auslaßanschlüssen strömen muß, und maximalisiert die Flüssigkeitsstromaufteilung zwischen den diversen Öffnungen, welche zur Grenzschicht führen.
Die Einzelheiten darüber, wie der Wärmetauscher 100 und die individuellen Schichten in dem Wärmetauscher 100 hergestellt werden, werden weiter unten diskutiert. Die folgende Diskussion bezieht sich auf die bevorzugten und alternativen Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei auf den Wärmetauscher 100 in 3B und individuelle Schichten darin der Einfachheit halber Bezug genommen wird. Es ist außerdem für einen Fachmann erkennbar, daß, auch wenn die Herstellungsdetails bezüglich der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, die Herstellungsdetails auch alternativ auf konventionelle Wärmetauscher wie auch auf Zwei- und Drei-Etagen-Wärmetauscher anwendbar sind, welche einen Flüssigkeits einlaßanschluß und einen Flüssigkeitsauslaßanschluß verwenden, wie in den 1A – 1C gezeigt ist.
Bevorzugt hat die Grenzschicht 102 einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, welcher wenigstens annähernd gleich zu demjenigen der Wärmequelle 99 ist. Die Grenzschicht 102 dehnt sich bevorzugt gemäß der Wärmequelle 99 aus und zieht sich gemäß der Wärmequelle 99 zusammen. Alternativ kann das Material der Grenzschicht 102 einen thermischen Wärmekoeffizienten aufweisen, der unterschiedlich zu demjenigen des Materials der Wärmequelle ist. Eine aus einem Material wie Silizium hergestellte Grenzschicht 102 hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der zu demjenigen der Wärmequelle 99 paßt, und hat eine hinreichende thermische Leitfähigkeit, um in adäquater Weise Wärme von der Wärmequelle 99 auf die Flüssigkeit zu übertragen. Alternativ können jedoch andere Materialien für die Grenzschicht 102 verwendet werden, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten zu demjenigen der Wärmequelle passen.
Die Grenzschicht 102 in dem Wärmetauscher 100 hat bevorzugt eine hohe thermische Leitfähigkeit, um eine hinreichende Wärmeleitung zwischen der Wärmequelle 99 und der entlang der Grenzschicht 102 strömenden Flüssigkeit zu ermöglichen, so daß die Wärmequelle 99 nicht überhitzt wird. Die Grenzschicht 102 wird bevorzugt aus einem Material hergestellt, welches eine hohe thermische Leitfähigkeit von 100 W/m-K hat. Es ist jedoch für einen Fachmann erkennbar, daß die Grenzschicht 102 auch eine thermische Leitfähigkeit von mehr oder weniger als 100 W/m-K haben kann und hierauf nicht beschränkt ist.
Um die bevorzugte thermische Leitfähigkeit zu erhalten, ist die Grenzschicht bevorzugt aus einem Halbleitersubstrat wie Silizium hergestellt. Alternativ kann die Grenzschicht aus anderem Material bestehen wie beispielsweise einzel-kristallinen dielektrischen Materialien, Metallen, Aluminium, Nickel und Kupfer, Kovar, Graphit, Diamant, Verbundwerkstoffen oder jeglichen geeigneten Legierungen. Ein alternatives Material für die Grenzschicht 102 ist ein gemustertes oder gegossenes organisches Gittermaterial.
Wie in 12 gezeigt ist, ist es bevorzugt, daß die Grenzschicht 102 mit einer Beschichtung 112 beschichtet wird, um das Material der Grenzschicht 102 zu schützen sowie die thermischen Austauscheigenschaften der Grenzschicht 102 zu verbessern. Die Beschichtung 112 schafft einen chemischen Schutz, der bestimmte chemische Reaktionen zwischen der Flüssigkeit und der Grenzschicht 102 eliminiert. Zum Beispiel kann eine aus Aluminium hergestellte Grenzschicht 102 durch die mit ihr in Kontakt kommende Flüssigkeit angegriffen werden, wobei die Grenzschicht 102 im Verlaufe der Zeit zerstört werden würde. Die Beschichtung 112 aus einer dünnen Nickelschicht von etwa 25 μ wird daher bevorzugt durch Elektroplattieren über die Oberfläche der Grenzschicht 102 aufgetragen, um jegliche mögliche Reaktionen chemisch zu verhindern, ohne die thermischen Eigenschaften der Grenzeschicht 102 signifikant zu verändern. Es ist ersichtlich, daß irgendein anderes Beschichtungsmaterial mit geeigneter Beschichtungsdicke vorgesehen sein kann, abhängig von dem Material bzw. den Materialien der Grenzschicht 102.
Weiterhin wird das Beschichtungsmaterial 112 auf die Grenzschicht 102 aufgebracht, um die thermische Leitfähigkeit der Grenzschicht zu verbessern, um einen ausreichenden Wärmeaustausch mit der Wärmequelle 99 durchführen zu können, wie in 12 gezeigt ist. Zum Beispiel kann eine Grenzschicht 102 auf metallischer Basis und ein Kunststoffüberzug thermisch mit einer Schicht einer Nickelbeschichtung 112 auf dem Kunststoff verbessert werden. Die Nickelschicht hat eine Dicke von wenigstens 25 μ, abhängig von den Dimensionen der Grenzschicht 102 und der Wärmequelle 99. Es ist ersichtlich, daß irgendein anderes Beschichtungsmaterial mit geeigneter Beschichtungsdicke vorgesehen werden kann, abhängig von dem Material bzw. den Materialien der Grenzschicht 102. Das Beschichtungsmaterial 112 wird außerdem auf einem Material verwendet, welches bereits hohe thermische Leitfähigkeitscharakteristika hat, so daß das Beschichtungsmaterial die thermische Leitfähigkeit des Materials noch verbessert. Das Beschichtungsmaterial 112 wird bevorzugt auf die Bodenfläche 103 wie auch auf die Mikrokanal-Wände 110 der Grenzschicht 102 aufgebracht, wie in 12 gezeigt ist. Alternativ kann das Beschichtungsmaterial 112 entweder auf die Bodenfläche 103 oder die Mikrokanal-Wände 110 aufgebracht werden. Das Beschichtungsmaterial 112 besteht bevorzugt aus einem Metall wie beispielsweise Nickel oder Aluminium, ist hierauf jedoch nicht begrenzt. Jedoch kann das Beschichtungsmaterial 112 alternativ aus irgendeinem anderen Material hoher Leitfähigkeit bestehen.
Die Grenzschicht 102 wird bevorzugt durch einen Ätzprozeß ausgebildet unter Verwendung eines Kupfermaterials, welches mit einer dünnen Nickelschicht beschichtet ist, um die Grenzeschicht 102 zu schützen. Alternativ kann die Grenzschicht 102 aus Aluminium, einem Siliziumsubstrat, Kunststoff oder irgendeinem anderen geeigneten Material hergestellt werden. Eine aus einem Material mit schlechter thermischer Leitfähigkeit hergestellte Grenzschicht 102 kann ebenfalls mit einem geeigneten Beschichtungsmaterial beschichtet werden, um die thermische Leitfähigkeit der Grenzschicht 102 zu verbessern. Ein Verfahren zur elektrischen Ausbildung der Grenzschicht besteht in der Aufbringung einer Teilchenschicht aus Chrom oder einem anderen geeigneten Material über die Bodenfläche 103 der Grenzschicht 102 und Anlegung einer geeigneten elektrischen Spannung an die Teilchenschicht. Die elektrische Verbindung formt dabei eine Schicht aus einem thermisch leitfähigen Beschichtungsmaterial 112 auf der Grenzschicht 102. Der elektrische Formprozeß führt zu Beschichtungsdimensionen im Bereich von 10 – 100 μ. Die Grenzschicht 102 wird durch einen elektrischen Formprozeß wie ein gemustertes Elektroplattieren ausgebildet. Weiterhin kann die Grenzschicht alternativ durch photochemisches Ätzen oder chemisches Fräsen hergestellt werden, und zwar entweder allein oder in Kombination mit einem elektrischen Formungsverfahren. Zum Herstellen von Merkmalen in der Grenzschicht 102 können übliche lithographische Einrichtungen zum chemischen Fräsen verwendet werden. Weiterhin können die Längenverhältnisse und Toleranzen durch Verwendung laserunterstützer chemischer Fräsprozesse verbessert werden.
Die Mikrokanal-Wände 110 werden bevorzugt aus Silizium hergestellt. Die Mikrokanal-Wände 110 können alternativ aus anderen Materialien hergestellt werden, wie beispielsweise aus gemustertem Glas, Polymer oder einem gegossenen Polymergitter. Obwohl es zweckmäßig ist, wenn die Mikrokanal-Wände 110 aus demselben Material wie die Bodenfläche 103 der Grenzschicht 102 bestehen, können die Mikrokanal-Wände 110 alternativ aus einem anderen Material bestehen als der Rest der Grenzschicht 102.
Bevorzugt weisen die Mikrokanal-Wände 110 eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 20 W/m-K auf. Alternativ können die Mikrokanal-Wände 110 eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 20 W/m-K aufweisen. Es ist für den Fachmann erkennbar, daß die Mikrokanal-Wände 110 alternativ eine thermische Leitfähigkeit von weniger als 20 W/m-K aufweisen können, wobei Beschichtungsmaterial 112 auf die Mikrokanal-Wände 110 aufgebracht wird, wie in 12 gezeigt ist, um die thermische Leitfähigkeit der Wände 110 zu verbessern. Für Mikrokanal-Wände 110, die aus Materialien bestehen, welche bereits eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, weist die Beschichtung 112 eine Dicke von wenigstens 25 μ auf, welche die Oberfläche der Mikrokanal-Wände 110 auch schützt. Für Mikrokanal-Wände 110, die aus einem Material mit schlechter thermischer Leitfähigkeit hergestellt sind, besitzt die Beschichtung 112 eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 50 W/m-K und ist mehr als 25 μ dick. Es ist für einen Fachmann erkennbar, daß andere Typen von Beschichtungsmaterialien wie auch andere Dickendimensionen möglich sind.
Um die Mikrokanal-Wände 110 so auszubilden, daß sie eine adäquate thermische Leitfähigkeit von wenigstens 20 W/m-K haben, werden die Wände 110 elektrisch mit Beschichtungsmaterial 112 (12) wie Nickel oder einem anderen Metall, wie oben ausgeführt worden ist, beschichtet. Um die Mikrokanal-Wände 110 so auszubilden, daß sie eine adäquate thermische Leitfähigkeit von wenigstens 50 W/m-K aufweisen, werden die Wände 110 mit Kupfer auf einer dünnen Metallfilm-Teilchenschicht elektroplattiert. Alternativ sind die Mikrokanal-Wände 110 nicht mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet.
Die Mikrokanal-Wände 110 sind bevorzugt durch Heiß-Prägetechniken ausgebildet, um ein hohes Längen- bzw. Seitenverhältnis der Kanalwände 110 längs der Bodenfläche 103 der Grenzschicht 102 zu erzielen. Die Mikrokanal-Wände 110 sind alternativ aus Siliziumstrukturen gebildet, die auf einer Glasfläche angeordnet werden, wobei sie in der gewünschten Konfiguration geätzt werden. Die Mikrokanal-Wände 110 sind alternativ durch lithographische Standardtechniken, Preß- bzw. Schmiedeverfahren oder jegliches anderes Verfahren herzustellen. Die Mikrokanal-Wände 110 sind alternativ separat von der Grenzschicht 102 herge stellt und werden an die Grenzschicht 102 durch anodisches Verschweißen oder durch Verkleben mit einem Epoxidharz verklebt. Alternativ können die Mikrokanäle 110 durch konventionelle elektrische Formtechniken wie Elektroplattieren an die Grenzschicht 102 angekoppelt werden.
Es gibt eine große Anzahl von Verfahren, die für die Herstellung der Zwischenschicht 104 verwendet werden können. Die Zwischenschicht besteht bevorzugt aus Silizium. Es ist für den Fachmann ersichtlich, daß jegliches andere Material vorgesehen werden kann, wie beispielsweise Glas, laser-gemustertes Glas, Polymere, Metalle, Kunststoff, gegossene organische Materialien oder jegliche Verbundstoffe hieraus. Bevorzugt wird die Zwischenschicht 104 durch Verwendung von Plasma-Ätztechniken geformt. Alternativ kann die Zwischenschicht 104 durch Verwendung einer chemischen Ätztechnik ausgebildet werden. Andere Verfahren umfassen spanabhebende Bearbeitung, Ätzen, Extrudieren und/oder ein Einschmieden eines Metalls in die gewünschte Konfiguration. Die Zwischenschicht 104 kann alternativ durch Einspritzen eines Kunststoffes in die gewünschte Konfiguration geformt werden. Alternativ kann die Zwischenschicht 104 durch Laserbohren einer Glasplatte in die gewünschte Konfiguration gebracht werden.
Die Verteilerschicht 106 kann durch eine Vielzahl von Verfahren hergestellt werden. Bevorzugt wird die Verteilerschicht 106 durch ein Spritzgußverfahren unter Verwendung von Kunststoff, Metall, einer Polymerverbindung oder einem anderen Material hergestellt, wobei jede Schicht aus demselben Material besteht. Alternativ kann jede Schicht, wie oben diskutiert worden ist, aus einem unterschiedlichen Material bestehen. Die Verteilerschicht 106 kann alternativ durch eine spanabhebende oder ätzende Metalltechnik hergestellt werden. Es ist für den Fachmann erkennbar, daß die Verteilerschicht 106 durch Verwendung jeder geeigneten Methode herstellbar ist.
Zur Ankopplung der Zwischenschicht 104 an die Grenzschicht 102 und die Verteilerschicht 106 zwecks Bildung des Wärmetauschers 100 können die verschiedensten Verfahren verwen det werden. Die Grenzschicht 102, die Zwischenschicht 104 und die Verteilerschicht 106 sind bevorzugt durch einen anodischen Prozeß, durch Kleben oder durch eutektisches Verbinden aneinandergekoppelt. Die Zwischenschicht 104 kann alternativ integral mit den Merkmalen der Verteilerschicht 106 und der Grenzschicht 102 ausgebildet werden. Die Zwischenschicht 104 kann durch einen chemischen Prozeß an die Grenzschicht 102 angekoppelt werden. Die Zwischenschicht 104 kann alternativ durch ein Heißprägen oder sanfte lithographische Techniken hergestellt werden, wobei ein Draht-Funkenerosionsverfahren oder ein Siliziumteil verwendet wird, um die Zwischenschicht 104 zu prägen. Die Zwischenschicht 104 wird sodann alternativ mit Metall oder einem anderen geeigneten Material elektroplattiert, um die thermische Leitfähigkeit der Zwischenschicht 104 zu verbessern, falls dieses erforderlich ist.
Alternativ kann die Zwischenlage 104 zusammen mit der Herstellung der Mikrokanal-Wände 110 in der Grenzschicht 102 durch ein Spritzgußverfahren erzeugt werden. Alternativ kann die Zwischenschicht 104 zusammen mit der Herstellung der Mikrokanal-Wände 110 durch ein anderes geeignetes Verfahren hergestellt werden. Andere Verfahren zum Herstellen des Wärmetauschers umfassen beispielsweise das Löten, Schmelzschweißen, eutektisches Schweißen, intermetallisches Schweißen und jegliche andere geeignete Technik, abhängig von den Typen der Materialien, die in jeder Schicht verwendet werden.
Ein anderes alternatives Verfahren zum Herstellen des Wärmetauschers nach der vorliegenden Erfindung ist in 13 beschrieben. Wie unter Bezugnahme auf 13 ausgeführt worden ist, umfaßt ein alternatives Verfahren zum Herstellen des Wärmetauschers die Bildung einer harten Maske, die wie die Grenzschicht (Schritt 500) aus einem Siliziumsubstrat besteht. Die harte Maske ist aus Siliziumdioxid hergestellt oder alternativ aus aufgeschleudertem Glas. Wenn die harte Maske gebildet ist, wird eine Anzahl von Unterkanälen in der harten Maske ausgebildet, wobei die Unterkanäle die Flüssigkeitspfade zwischen den Mikrokanal-Wänden 110 bilden (Schritt 502). Die Unterkanäle werden durch irgendein geeignetes Verfahren ausgebildet, beispielsweise durch Hochfrequenz-Prägeverfahren, chemisches Fräsen, sanfte Lithographie oder Xenondifluorid-Ätzen. Dabei muß ausreichend Raum zwischen jedem Unter kanal sichergestellt werden, so daß einander benachbarte Unterkanäle nicht miteinander verbunden sind. Danach wird sodann das Glas mit irgendeinem konventionellen Verfahren auf die Oberfläche der harten Maske aufgebracht, um die Zwischenschicht und die Verteilerschicht zu bilden (Schritt 504). Nachfolgend werden die Zwischenschicht und die Verteilerschicht durch ein Nachbehandlungsverfahren (Schritt 506) gehärtet. Sobald die Zwischenschicht und die Verteilerschicht voll ausgebildet und gehärtet sind, werden ein oder mehrere Flüssigkeitsanschlüsse in der gehärteten Schicht ausgebildet (Schritt 508). Die Flüssigkeitsanschlüsse werden in die Verteilerschicht geätzt oder alternativ gebohrt. Obwohl hier spezielle Verfahren zum Herstellend er Grenzschicht 102, der Zwischenschicht 104 und der Verteilerschicht 106 diskutiert worden sind, sind andere bekannte Verfahren zum Herstellen des Wärmetauschers 100 alternativ möglich.
14 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 6 gezeigt ist, sind zwei Wärmetauscher 200, 200' an eine Wärmequelle 99 gekuppelt. Die Wärmequelle 99, wie beispielsweise ein elektronisches Bauteil bzw. eine elektronische Einrichtung, ist an eine gedruckte elektronische Schaltung bzw. eine Schaltkarte 96 gekoppelt und aufrecht angeordnet, wobei jede Seite der Wärmequelle 99 zugänglich ist. Ein Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung ist an eine Seite der Wärmequelle 99 angekoppelt, wobei beide Wärmetauscher 200, 200' für eine maximale Kühlung der Wärmequelle 99 sorgen. Alternativ kann die Wärmequelle horizontal an die Schaltkarte angekoppelt sein, wobei mehr als ein Wärmetauscher auf der Oberseite der Wärmequelle 99 angeordnet ist (nicht gezeigt), und wobei jeder Wärmetauscher elektrisch an die Wärmequelle 99 gekuppelt ist. Weitere Einzelheiten dieser Ausgestaltung sind in der am 7. Februar 2002 unter der Bezeichnung „Power Conditioning Module" angemeldeten US-Patentanmeldung Nr. 10/072 137 offenbart, auf welche hier Bezug genommen wird.
Wie in 14 gezeigt ist, ist der Wärmetauscher 200 mit zwei Schichten an die linke Seite der Wärmequelle 99 gekuppelt, und der Wärmetauscher 200' mit drei Schichten ist an die rechte Seite der Wärmequelle 99 gekuppelt. Es ist für den Fachmann ersichtlich, daß der be vorzugte oder der alternative Wärmetauscher an die Seiten der Wärmequelle 99 gekuppelt ist. Es ist für den Fachmann ebenfalls ersichtlich, daß die alternativen Ausgestaltungen des Wärmetauschers 200' alternativ an die Seiten der Wärmequelle 99 angekuppelt werden können. Die in 14 gezeigte alternative Ausgestaltung gestattet eine präzisere Heißstellen-Kühlung der Wärmequelle 99, indem Flüssigkeit zum Kühlen von Heißstellen aufgebracht wird, welche längs der Dicke der Heizquelle 99 vorhanden sind. Demgemäß bewirkt die Ausgestaltung gemäß 14 ein angemessenes Kühlen von Heißstellen im Zentrum der Wärmequelle 99 durch Wärmeaustausch an beiden Seiten der Wärmequelle 99. Es ist für einen Fachmann ersichtlich bzw. ohne weiteres nachvollziehbar, daß die in 14 gezeigte Ausgestaltung in einem Kühlsystem 30 gemäß den 2A – 2B verwendet werden kann, obwohl andere geschlossene Kühlsysteme möglich sind.
Wie oben ausgeführt worden ist, kann die Wärmequelle 99 so ausgebildet sein, daß die Stellen einer oder mehrerer Heißstellen aufgrund unterschiedlicher Aufgaben, die von der Wärmequelle 99 durchzuführen sind, wechseln. Um die Wärmequelle 99 adäquat zu kühlen, weist das System 30 alternativ ein Feststell- und Steuermodul 34 (2A – 2B) auf, welches die Flüssigkeitsmenge und/oder die Geschwindigkeit der in den Wärmetauscher 100 einströmenden Flüssigkeit in Reaktion auf einen Wechsel der Heißstellen ändert.
Wie in 14 gezeigt ist, sind ein oder mehrere Sensoren 124 an jedem Grenzschicht-Heißstellen-Bereich im Wärmetauscher 200 angeordnet und/oder an jeder potentiellen Heißstelle der Wärmequelle 99. Alternativ können mehrere Wärmequellen gleichmäßig zwischen der Wärmequelle und dem Wärmetauscher und/oder in dem Wärmetauscher selbst angeordnet sein. Der Steuermodul 38 (2A – 2B) ist außerdem an ein oder mehrere Ventile in dem geschlossenen Kreis 30 gekoppelt und steuert die Flüssigkeitsströmung zum Wärmetauscher 100. Das wenigstens eine Ventil ist in den Flüssigkeitslinien angeordnet, doch kann es alternativ auch irgendwo anders angeordnet sein. Die Sensoren 124 sind an den Steuermodul 34 angekoppelt, wobei der Steuermodul 34 bevorzugt stromaufwärts zu dem Wärmetauscher 100 angeordnet ist, wie in 2 gezeigt ist. Alternativ kann der Steuermodul 34 an irgendeiner anderen Stelle in dem geschlossenen System 30 angeordnet sein.
Die Sensoren 124 stellen dem Steuermodul 34 Informationen zur Verfügung, beispielsweise über die Geschwindigkeit der Flüssigkeit, welche in den Grenzschicht-Heißstellen-Bereich strömt, die Temperatur der Grenzschicht 102 in dem Grenzschicht-Heißstellen-Bereich und/oder der Wärmequelle, und die Flüssigkeitstemperatur. Beispielsweise stellen bei der Anordnung gemäß 14 in der Grenzschicht 124 angeordnete Sensoren dem Steuermodul 34 die Information zur Verfügung, daß die Temperatur in einem bestimmten Grenzschicht-Heißstellen-Bereich des Wärmetauschers 200 steigt, während die Temperatur in einem bestimmten Grenzschicht-Heißstellen-Bereich des Wärmetauschers 200' sinkt. Als Reaktion hierauf bewirkt der Steuermodul 34, daß die zu dem Wärmetauscher 200 geleitete Flüssigkeitsmenge erhöht wird, und daß sich die zu dem Wärmetauscher 200' strömende Flüssigkeitsmenge verringert. Alternativ kann der Steuermodul 34 die zu einer oder mehreren Grenzschicht-Heißstellen-Bereichen strömende Flüssigkeitsmenge in einem oder mehreren Wärmetauschern als Reaktion auf die von den Sensoren 118 erhaltene Information ändern. Obwohl die Sensoren 118 in 14 mit zwei Wärmetauschern 200, 200' gezeigt sind, ist es ersichtlich bzw. nachvollziehbar, daß die Sensoren 118 alternativ nur mit einem Wärmetauscher gekuppelt sein können.
Die vorliegende Erfindung ist vorstehend anhand spezifischer Ausführungsbeispiele beschrieben worden, um das Verständnis der Konstruktion und Arbeitsweise der Erfindung zu vereinfachen. Diese Bezugnahme auf spezifische Ausführungsbeispiele und deren Details soll den Schutzumfang der Ansprüche jedoch in keiner Weise beschränken. Es ist für Fachleute ohne weiteres ersichtlich, daß Modifikationen der zur Erläuterung ausgewählten Ausführungsbeispiele möglich sind, ohne von dem Erfindungsgedanken abzuweichen und den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
Zusammenfassung
An eine Wärmequelle gekuppelter Mikrokanal-Wärmetauscher zum Kühlen der Wärmequelle, mit einem ersten Satz von Fingern zum Bereitstellen von Flüssigkeit mit einer ersten Temperatur an einem Wärmeaustauschbereich, wobei die Flüssigkeit in dem Wärmeaustauschbereich zu einem zweiten Satz von Fingern strömt und mit einer zweiten Temperatur aus dem Wärmeaustauscher austritt, und wobei jeder Finger zu einem benachbarten Finger in einem geeigneten Abstand steht, um den Druckabfall in dem Wärmetauscher zu minimalisieren, und wobei die Finger parallel angeordnet sind. Der Mikrokanal-Wärmetauscher weist eine Grenzschicht mit dem Wärmeaustauschbereich auf. Bevorzugt enthält eine Verteilerschicht den ersten Satz von Fingern und den zweiten Satz von Fingern, um Heißstellen der Wärmequelle zu kühlen. Alternativ enthält die Grenzschicht den ersten und zweiten Satz von Fingern entlang dem Wärmeaustauschbereich.

Claims

Wärmetauscher mit a. einer Grenzschicht zum Kühlen einer Wärmequelle, wobei die Grenzschicht so ausgebildet ist, daß sie von einer Flüssigkeit zu durchströmen ist; und b. einer Verteilerschicht zum Leiten bzw. Umwälzen von Flüssigkeit zu der und von der Grenzschicht, wobei die Verteilerschicht einen ersten Satz von Fingern und einen parallel zu diesem angeordneten zweiten Satz von Fingern aufweist, um den Druckabfall innerhalb des Wärmetauschers zu reduzieren.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem sich die Flüssigkeit in einem einphasigen Zustand befindet.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem sich die Flüssigkeit in einem zweiphasigen Zustand befindet.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem wenigstens ein Teil der Flüssigkeit in der Grenzschicht einer Umwandlung von einem einphasigen Zustand in einen zweiphasigen Zustand unterliegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem ein bestimmter Finger des ersten Satzes mit einem geeigneten Abstand zu einem bestimmten Finger des zweiten Satzes angeordnet ist, um den Druckabfall in dem Wärmetauscher zu minimalisieren.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem alle Finger dieselben Längen- und Breitenabmessungen aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem wenigstens einer der Finger anders als die übrigen Finger dimensioniert ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Finger in der Verteilerschicht in wenigstens einer Dimension nicht-periodisch angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem wenigstens ein Finger entlang der Länge der Verteilerschicht wenigstens eine variierende Dimension aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Verteilerschicht mehr als drei und weniger als zehn parallele Finger aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Finger des ersten Satzes und des zweiten Satzes abwechselnd längs einer Dimension der Verteilerschicht angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Verteilerschicht zum Kühlen von wenigstens einem Grenzschicht-Heißstellen-Bereich vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem wenigstens ein erster Anschluß vorgesehen ist, der mit dem ersten Satz von Fingern kommuniziert, wobei die Flüssigkeit durch den wenigstens einen ersten Anschluß in den Wärmetauscher eintritt.
Wärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem wenigstens ein zweiter Anschluß vorgesehen ist, der mit dem zweiten Satz von Fingern kommuniziert, wobei die Flüssigkeit durch den wenigstens zweiten Anschluß aus dem Wärmetauscher austritt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Verteilerschicht über der Grenzschicht angeordnet ist, wobei die Flüssigkeit durch den ersten Satz von Fingern nach unten strömt und durch den zweiten Satz von Fingern nach oben strömt.
Wärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem eine erste Anschlußpassage mit dem ersten Anschluß und dem ersten Satz von Fingern kommuniziert, wobei die erste Anschlußpassage die Flüssigkeit von dem ersten Anschluß zu dem ersten Satz von Fingern kanalisiert.
Wärmetauscher nach Anspruch 16, bei dem eine zweite Anschlußpassage mit dem zweiten Anschluß und dem zweiten Satz von Fingern kommuniziert, wobei die zweite Anschlußpassage die Flüssigkeit von dem zweiten Satz von Fingern zum zweiten Anschluß kanalisiert.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Grenzschicht integral mit der Wärmequelle ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Grenzschicht an die Wärmequelle angekoppelt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 mit einer Zwischenschicht zum Kanalisieren von Flüssigkeit zu und von einer oder mehreren vorgegebenen Stellen der Grenzschicht über wenigstens eine Leitung, wobei die Zwischenschicht zwischen der Grenzschicht und der Verteilerschicht angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 20, bei dem die Zwischenschicht an die Grenzschicht und die Verteilerschicht gekoppelt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 20, bei dem die Zwischenschicht integral mit der Grenzschicht und der Verteilerschicht ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 20, bei dem die wenigstens eine Leitung entlang der Zwischenschicht wenigstens eine variierende Dimension aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem auf der Grenzschicht eine Beschichtung mit einer geeigneten thermischen Leitfähigkeit von wenigstens 20 W/m-K angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Grenzschicht eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 20 W/m-K aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem eine Anzahl von Säulen vorhanden ist, die in einem vorgegebenen Muster entlang der Grenzschicht angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Grenzschicht eine rauhe bzw. aufgerauhte Oberfläche aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Grenzschicht eine mikroporöse Struktur aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem eine Anzahl von Mikrokanälen vorhanden ist, die in einem vorgegebenen Muster entlang der Grenzschicht angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 29, bei dem die Mikrokanäle an die Grenzschicht gekoppelt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 29, bei dem die Mikrokanäle integral mit der Grenzschicht ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 29, bei dem die Mikrokanäle in segmentierte Reihen unterteilt sind, zwischen denen wenigstens eine Rille bzw. Nut angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Rille zu einem entsprechenden Finger ausgerichtet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 29, bei dem auf den Mikrokanälen eine Beschichtung vorgesehen ist, welche eine geeignete Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 20 W/m-K aufweist.
Wärmetauscher zum Kühlen einer Wärmequelle mit a. einer Verteilerschicht mit einem ersten Satz von Fingern in einer ersten Konfiguration, wobei jeder Finger des ersten Satzes Flüssigkeit mit einer ersten Temperatur kanalisiert, und mit einem zweiten Satz von Fingern einer zweiten Konfiguration, wobei jeder Finger des zweiten Satzes Flüssigkeit mit einer zweiten Temperatur kanalisiert, und wobei der erste Satz von Fingern parallel zu dem zweiten Satz von Fingern angeordnet ist; und b. einer Grenzeschicht zum Empfangen von Flüssigkeit mit einer ersten Temperatur an mehreren ersten Stellen, wobei jede erste Stelle einem entsprechenden Finger des ersten Satzes zugeordnet ist, die Grenzschicht Flüssigkeit entlang mehrerer vorgegebener Pfade zu mehreren zweiten Stellen leitet, und wobei jede zweite Stelle einem entsprechenden Finger des zweiten Satzes zugeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem sich die Flüssigkeit in einem einphasigen Zustand befindet.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem sich die Flüssigkeit in einem zweiphasigen Zustand befindet.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem wenigstens ein Teil der Flüssigkeit in der Grenzschicht einer Umwandlung von einem einphasigen Zustand in einen zweiphasigen Zustand unterliegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem ein bestimmter Finger des ersten Satzes mit einem geeigneten Abstand zu einem bestimmten Finger des zweiten Satzes angeordnet ist, um den Druckabfall in dem Wärmetauscher zu minimalisieren.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem wenigstens ein erster Anschluß vorgesehen ist, der mit dem ersten Satz von Fingern kommuniziert, wobei die Flüssigkeit durch den wenigstens einen ersten Anschluß in den Wärmetauscher eintritt.
Wärmetauscher nach Anspruch 39, bei dem wenigstens ein zweiter Anschluß vorgesehen ist, der mit dem zweiten Satz von Fingern kommuniziert, wobei die Flüssigkeit durch den wenigstens zweiten Anschluß aus dem Wärmetauscher austritt.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem die Verteilerschicht über der Grenzschicht angeordnet ist, wobei die Flüssigkeit durch den ersten Satz von Fingern nach unten strömt und durch den zweiten Satz von Fingern nach oben strömt.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem die Grenzschicht integral mit der Wärmequelle ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem die Grenzschicht an die Wärmequelle angekoppelt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem die Finger des ersten Satzes in alternierender Anordnung mit den Fingern des zweiten Satzes positioniert sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem jeder Finger die gleichen Längen- und Breitenmessungen hat.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem wenigstens ein Finger eine andere Dimensionierung als die übrigen Finger hat.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem die Finger in wenigstens einer Dimension der Verteilerschicht nicht-periodisch angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem wenigstens ein Finger entlang der Länge der Verteilerschicht wenigstens eine variierende Dimension aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem die Verteilerschicht mehr als drei und weniger als zehn parallele Finger aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 40, bei dem eine erste Anschlußpassage mit dem ersten Anschluß und dem ersten Satz von Fingern kommuniziert, wobei die erste Anschlußpassage die Flüssigkeit von dem ersten Anschluß zu dem ersten Satz von Fingern kanalisiert.
Wärmetauscher nach Anspruch 50, bei dem eine zweite Anschlußpassage mit dem zweiten Anschluß und dem zweiten Satz von Fingern kommuniziert, wobei die zweite Anschlußpassage die Flüssigkeit von dem zweiten Satz von Fingern zum zweiten Anschluß kanalisiert.
Wärmetauscher nach Anspruch 34 mit einer Zwischenschicht zum Kanalisieren von Flüssigkeit zu und von einer oder mehreren vorgegebenen Stellen der Grenzschicht über wenigstens eine Leitung, wobei die Zwischenschicht zwischen der Grenzschicht und der Verteilerschicht angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 52, bei dem die Leitung in einer vorgegebenen Konfiguration angeordnet ist, um Flüssigkeit zu einer oder mehreren Grenzschicht-Heißstellen-Bereichen in der Grenzschicht zu kanalisieren.
Wärmetauscher nach Anspruch 52, bei dem die Leitung in einer vorgegebenen Konfiguration angeordnet ist, um Flüssigkeit zu einer oder mehreren Grenzschicht-Heißstellen-Bereichen in der Grenzschicht zu kanalisieren.
Wärmetauscher nach Anspruch 52, bei dem die Zwischenschicht an die Grenzschicht und die Verteilerschicht gekoppelt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 52, bei dem die Zwischenschicht integral mit der Grenzschicht und der Verteilerschicht ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 52, bei dem die wenigstens eine Leitung entlang der Zwischenschicht wenigstens eine variierende Dimension aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem auf der Grenzschicht eine Beschichtung mit einer geeigneten thermischen Leitfähigkeit von wenigstens 20 W/m-K angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem die Grenzschicht eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 20 W/m-K aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem eine Anzahl von Säulen vorhanden ist, die in einem vorgegebenen Muster entlang der Grenzschicht angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem die Grenzschicht eine rauhe bzw. aufgerauhte Oberfläche aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem die Grenzschicht eine mikroporöse Struktur aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 34, bei dem eine Anzahl von Mikrokanälen vorhanden ist, die in einem vorgegebenen Muster entlang der Grenzschicht angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 63, bei dem die Mikrokanäle an die Grenzschicht gekoppelt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 63, bei dem die Mikrokanäle integral mit der Grenzschicht ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 63, bei dem die Mikrokanäle entlang einer Dimension der Grenzschicht in Segmente unterteilt sind, wobei wenigstens eine Rille bzw. Nut zwischen den unterteilten Mikrokanal-Segmenten angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 63, bei dem die Mikrokanäle entlang einer Dimension der Grenzschicht durchgängig ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 66, bei dem wenigstens eine Rille zu einem entsprechenden Finger ausgerichtet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 63, bei dem auf den Mikrokanälen eine Beschichtung vorgesehen ist, welche eine geeignete Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 20 W/m-K aufweist.
Verteileranordnung, die an einen Wärmetauscher anzukoppeln ist, welcher zum Kühlen einer Wärmequelle ausgebildet ist, mit einem ersten Satz von Fingern, mit denen Flüssigkeit mit einer ersten Temperatur zu einem Wärmetauschbereich des Wärmetauschers zu bringen ist, wobei die Flüssigkeit in dem Wärmeaustauschbereich einen Wärmeaustausch mit der Wärmequelle durchführt und mit einer zweiten Temperatur zu einem Satz von Fingern in der Verteileranordnung fließt, und wobei die Finger entlang einer Dimension parallel zueinander und mit geeignetem Abstand zueinander angeordnet sind, um den Druckabfall in dem Wärmetauscher zu reduzieren.
Verteileranordnung nach Anspruch 70, bei der sich die Flüssigkeit in einem einphasigen Zustand befindet.
Verteileranordnung nach Anspruch 70, bei der sich die Flüssigkeit in einem zweiphasigen Zustand befindet.
Verteileranordnung nach Anspruch 70, bei der wenigstens ein Teil der Flüssigkeit in der Grenzschicht einer Umwandlung von einem einphasigen Zustand in einen zweiphasigen Zustand unterliegt.
Verteileranordnung nach Anspruch 70, bei der der Wärmeaustauschbereich integral mit der Wärmequelle ausgebildet ist.
Verteileranordnung nach Anspruch 70, bei der der Wärmeaustauschbereich an die Wärmequelle angekoppelt ist.
Verteileranordnung nach Anspruch 70, bei der wenigstens ein erster Anschluß vorgesehen ist, der mit dem ersten Satz von Fingern kommuniziert, wobei die Flüssigkeit durch den wenigstens einen ersten Anschluß in den Wärmetauscher eintritt.
Verteileranordnung nach Anspruch 76, bei der wenigstens ein zweiter Anschluß vorgesehen ist, der mit dem zweiten Satz von Fingern kommuniziert, wobei die Flüssigkeit durch den wenigstens zweiten Anschluß aus dem Wärmetauscher austritt.
Verteileranordnung nach Anspruch 70, bei der die Verteileranordnung über dem Wärmeaustauschbereich angeordnet ist, wobei die Flüssigkeit über den ersten Satz von Fingern zu dem Wärmeaustauschbereich nach unten fließt, und über den zweiten Satz von Fingern zu dem Wärmeaustauschbereich nach oben fließt.
Verteileranordnung nach Anspruch 70, bei der eine erste Anschlußpassage mit dem ersten Anschluß und dem ersten Satz von Fingern kommuniziert, wobei die erste Anschlußpassage die Flüssigkeit von dem ersten Anschluß zu dem ersten Satz von Fingern kanalisiert.
Verteileranordnung nach Anspruch 79, bei der eine zweite Anschlußpassage mit dem zweiten Anschluß und dem zweiten Satz von Fingern kommuniziert, wobei die zweite Anschlußpassage die Flüssigkeit von dem zweiten Satz von Fingern zum zweiten Anschluß kanalisiert.
Verteileranordnung nach Anspruch 70, bei der eine Zwischenschicht Flüssigkeit zu und von wenigstens einer vorgegebenen Stelle in dem Wärmeaustauschbereich über wenigstens eine Leitung kanalisiert, wobei die Zwischenschicht zwischen der Verteileranordnung und dem Wärmeaustauschbereich angeordnet ist.
Verteileranordnung nach Anspruch 81, bei der die Leitung in einer vorgegebenen Konfiguration angeordnet ist, um Flüssigkeit zu einer oder mehreren Heißstellen in dem Wärmeaustauschbereich zu kanalisieren.
Verteileranordnung nach Anspruch 81, bei der die Zwischenschicht an die Verteileranordnung angekoppelt ist.
Verteileranordnung nach Anspruch 81, bei der die Zwischenschicht integral mit der Verteileranordnung ausgebildet ist.
Verteileranordnung nach Anspruch 81, bei der die Leitung wenigstens eine variierende Dimension in der Zwischenschicht aufweist.
Verteileranordnung nach Anspruch 70, bei der auf dem Wärmeaustauschbereich eine Beschichtung angeordnet ist, die eine geeignete thermische Leitfähigkeit von wenigstens 20 W/m-K aufweist.
Verteileranordnung nach Anspruch 70, bei der wenigstens ein Finger entlang der Verteileranordnung eine variierende Dimension hat.
Verteileranordnung nach Anspruch 70, bei der die Finger dieselben Längen- und Breitenabmessungen aufweisen.
Verteileranordnung nach Anspruch 70, bei der wenigstens ein Finger eine andere Dimension als die übrigen Finger hat.
Verteileranordnung nach Anspruch 70, bei der die Finger in wenigstens einer Dimension der Verteileranordnung nicht-periodisch angeordnet sind.
Verteileranordnung nach Anspruch 70, bei der wenigstens ein Finger entlang der Länge der Verteileranordnung wenigstens eine variierende Dimension aufweist.
Verfahren zum Kühlen einer Wärmequelle mit folgenden Schritten: a. Zuführen von Flüssigkeit mit einer ersten Temperatur zu einem Wärmeaustauschbereich über einen ersten Satz von Fingern einer ersten Konfiguration; b. Kanalisieren der Flüssigkeit entlang einer Mehrzahl von Strömungspfaden entlang dem Wärmeaustauschbereich, wobei die Flüssigkeit zu einem zweiten Satz von Fingern einer zweiten Konfiguration kanalisiert wird, und wobei die erste und zweite Konfiguration parallel zueinander angeordnet sind, um den Druckabfall dazwischen zu minimalisieren; und c. Abführen der Flüssigkeit mit einer zweiten Temperatur von dem Wärmeaustauschbereich über den zweiten Satz von Fingern.
Verfahren nach Anspruch 92, wobei der erste Satz von Fingern und der zweite Satz von Fingern entlang dem Wärmeaustauschbereich angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 92, wobei der erste Satz von Fingern und der zweite Satz von Fingern über dem Wärmeaustauschbereich angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 92, wobei wenigstens ein Finger des ersten Satzes benachbart zu wenigstens einem Finger des zweiten Satzes mit einem geeigneten Abstand angeordnet ist, um den Druckabfall dazwischen zu reduzieren.
Elektronische Einrichtung mit a. einem integrierten Schaltkreis; b. einer integral mit dem integrierten Schaltkreis ausgebildeten Grenzschicht, die so ausgebildet ist, daß Flüssigkeit durch sie zu leiten ist; und c. einer Verteilerschicht zum Umwälzen von Flüssigkeit mit der Grenzschicht, wobei die Verteilerschicht einen ersten Satz von Fingern und einen zweiten Satz von Fingern aufweist, die parallel zueinander angeordnet sind, um den Druckabfall innerhalb der elektronischen Einrichtung zu reduzieren.
Elektronische Einrichtung mit a. einem integriertem Schaltkreis; b. einer Verteilerschicht mit einem ersten Satz von Fingern in einer ersten Konfiguration, wobei jeder Finger des ersten Satzes Flüssigkeit mit einer ersten Temperatur kanalisiert, und mit einem zweiten Satz von Fingern in einer zweiten Konfiguration, wobei jeder Finger des zweiten Satzes Flüssigkeit mit einer zweiten Temperatur kanalisiert, und wobei der erste Satz von Fingern und der zweite Satz von Fingern parallel zueinander angeordnet sind; und c. einer mit dem integrierten Schaltkreis in Kontakt stehenden Grenzschicht, die Flüssigkeit mit der ersten Temperatur an mehreren ersten Stellen empfängt, wobei jede erste Stelle einem entsprechenden Finger des ersten Satzes zugeordnet ist, wobei die Grenzschicht Flüssigkeit entlang mehrer vorgegebener Pfade mehreren zweiten Stellen zuleitet, und wobei jede zweite Stelle einem entsprechenden Finger des zweiten Satzes zugeordnet ist.
Geschlossenes Kreissystem zum Kühlen wenigstens eines integrierten Schaltkreises mit a. wenigstens einem Wärmetauscher zum Aufnehmen von durch den integrierten Schaltkreis erzeugter Wärme, der i. eine mit dem integrierten Schaltkreis in Kontakt stehende Grenzschicht aufweist, welche von einer Flüssigkeit zu durchströmen ist; und ii. eine an die Grenzschicht gekoppelte Verteilerschicht aufweist, welche einen ersten Satz von Fingern und einen zweiten Satz von Fingern aufweist, wobei der erste Satz von Fingern parallel zu dem zweiten Satz von Fingern angeordnet ist, um den Druckabfall innerhalb des Wärmetauschers zu reduzieren; b. wenigstens einer Pumpe zum Umwälzen von Flüssigkeit durch den Kreis, welche an den wenigstens einen Wärmeaustauscher angekoppelt ist; und c. wenigstens einem an die Pumpe und den Wärmetauscher gekoppelten Wärmeabscheider zum Kühlen der aus dem Wärmetauscher austretenden erwärmten Flüssigkeit.