DE10393629T5

DE10393629T5 - Verfahren und Vorrichtung für eine effiziente vertikale Fluidzufuhr zum Kühlen einer Wärme erzeugenden Vorrichtung

Info

Publication number: DE10393629T5
Application number: DE10393629T
Authority: DE
Inventors: Goodson E. San Jose Kenneth; Thomas William San Carlos Kenny Jr.; Peng Albany Zhou; Girish San Jose Upadhya; Mark Los Gatos Munch; Mark Menlo Park McMaster; Cames Redwood City Hom; James Gill Santa Cruz Shook; David Los Altos Corbin; James San Francisco Lovette
Original assignee: Cooligy Inc
Current assignee: Cooligy Inc
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2006-03-09
Also published as: WO2004042304A3; US7000684B2; TW200413688A; AU2003287408A8; AU2003287408A1; AU2003301878A8; WO2004042297A3; AU2003301878A1; DE10393611T5; WO2004042304A2; WO2004042297A2; US20040206477A1; JP2006506603A; TWI304879B; JP2006515054A

Abstract

Wärmetauscher, umfassend einen Körper mit einem leitenden Abschnitt in Kontakt mit einer Wärmequelle, die entlang einer Ebene konfiguriert ist, wobei der leitende Abschnitt Wärme von der Wärmequelle zu einer wärmetauschenden Schicht leitet, die innerhalb des Körpers konfiguriert ist, wobei der Körper wenigstens eine Einlassanschlussöffnung und wenigstens eine Auslassanschlussöffnung enthält, wobei die wenigstens eine Einlassanschlussöffnung Fluid durch die wärmetauschende Schicht von einer ersten Seite nahe dem leitenden Abschnitt zu einer zweiten Seite, die von dem leitenden Abschnitt entfernt liegt, leitet.

Description

Verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Patentanmeldung ist eine Teilfortsetzung der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/680,584, eingereicht am 6. Oktober 2003, mit dem Titel "Method and apparatus for efficient vertical fluid delivery for cooling a heat producing device", die hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird, die eine Teilfortsetzung der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/439,635, eingereicht am 16. Mai 2003, mit dem Titel "Method and apparatus for flexible fluid delivery for cooling desired hot spots in a heat producing device" ist, die hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird, die im Rahmen von 35 U.S.C. 119(e) die Priorität der inzwischen zurückgezogenen vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 60/423,009, eingereicht am 1. November 2002, mit dem Titel "Methods for flexible fluid delivery and hotspot cooling by microchannel heat sinks", die hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird, sowie der inzwischen zurückgezogenen vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 60/442,383, eingereicht am 24. Januar 2003, mit dem Titel "Optimized plate fin heat exchanger for CPU cooling", die hiermit ebenfalls durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird, sowie der gleichzeitig anhängigen vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 60/455,729, eingereicht am 17. März 2003, mit dem Titel "Microchannel heat exchanger apparatus with porous configuration and method of manufacturing thereof", die hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird, beansprucht. Die US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/439,635, eingereicht am 16. Mai 2003, mit dem Titel "Method and apparatus for flexible fluid delivery for cooling desired hot spots in a heat producing device", beansprucht im Rahmen von 35 U.S.C. 119(e) auch die Priorität der inzwischen zurückgezogenen vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 60/423,009, eingereicht am 1. November 2002, mit dem Titel "Methods for flexible fluid delivery and hotspot cooling by microchannel heat sinks", die hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird, sowie der gleichzeitig anhängigen vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 60/442,383, eingereicht am 24. Januar 2003, mit dem Titel "Optimized plate fin heat exchanger for CPU cooling", die hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird, sowie der gleichzeitig an hängigen vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 60/455,729, eingereicht am 17. März 2003, mit dem Titel "Microchannel heat exchanger apparatus with porous configuration and method of manufacturing thereof", die hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer Wärme erzeugenden Vorrichtung und im Besonderen ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine effiziente vertikale Fluidzufuhr zum Kühlen eines elektronischen Bauelements mit minimalem Druckabfall innerhalb des Wärmetauschers.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Seit ihrer Einführung in den frühen 1980-er Jahren haben Mikrokanal-Wärmeableiter ein großes Potenzial für den Einsatz in wärmestromintensiven Kühlanwendungen bewiesen und werden seither in der Industrie verwendet. Jedoch beinhalten die derzeit existierenden Mikrokanäle herkömmliche parallele Kanalanordnungen, die sich nicht sonderlich zum Kühlen von Wärme erzeugenden Bauelementen mit räumlich variierenden Wärmebelastungen eignen. Derartige Wärme erzeugende Bauelemente weisen Bereiche auf, die mehr Wärme erzeugen als andere. Diese heißeren Bereiche werden hiermit als "Heißpunkte" bezeichnet, während die Bereiche der Wärmequelle, die nicht so viel Wärme erzeugen, hiermit als "Wärmepunkte" bezeichnet werden.

1A und 1B veranschaulichen eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines Wärmetauschers 10 nach dem Stand der Technik, der mit einem elektronischen Bauelement 99, wie beispielsweise einem Mikroprozessor, über ein Wärmegrenzflächenmaterial 98 verbunden ist. Wie in den 1A und 1B gezeigt, strömt Fluid allgemein von einer einzelnen Einlassanschlussöffnung 12 ausgehend an der Bodenfläche 11 zwischen den parallelen Mikrokanälen 14 entlang, wie durch die Pfeile angedeutet, und tritt durch die Auslassanschlussöffnung 16 aus. Obgleich der Wärmetauscher 10 den elektronischen Baustein 99 kühlt, fließt das Fluid von der Einlassanschlussöffnung 12 in einer gleichmäßigen Weise zur Auslassanschlussöffnung 16. Oder anders ausgedrückt: Das Fluid fließt im Wesentlichen gleichmäßig entlang der gesamten Bodenfläche 11 des Wärmetauschers 10 und versorgt Bereiche in der Bodenfläche 11, die Heißpunkte in dem Bauelement 99 entsprechen, nicht mit einer größeren Fluidmenge. Außerdem erhöht sich allgemein die Temperatur der vom Einlass kommenden Flüssigkeit, während sie an der Bodenfläche 11 des Wärmetauschers entlang strömt. Das heißt, Regionen der Wärmequelle 99, die stromabwärts oder nahe der Auslassanschlussöffnung 16 liegen, werden nicht mit kühlem Fluid versorgt, sondern praktisch mit warmem Fluid oder Zweiphasenfluid, das stromaufwärts bereits erwärmt wurde. Das hat die Wirkung, dass das erwärmte Fluid die Wärme praktisch über die gesamte Bodenfläche 11 des Wärmetauschers und die Region der Wärmequelle 99 verteilt, so dass Fluid nahe der Auslassanschlussöffnung 16 so stark erwärmt ist, dass es die Wärmequelle 99 nicht mehr zu kühlen vermag. Dieser Wärmeanstieg verursacht Zweiphasenstrominstabilitäten, wobei das Sieden von Fluid entlang der Bodenfläche 11 Fluid aus den Bereichen verdrängt, wo die meiste Wärme entsteht. Des Weiteren zwingt der Wärmetauscher 10, der nur einen einzigen Einlass 12 und einen einzigen Auslass 16 hat, das Fluid, über die gesamte Länge des Wärmetauschers 10 durch die langen parallelen Mikrokanäle 14 in der Bodenfläche 11 zu strömen, wodurch infolge des langen Weges, den das Fluid zurücklegen muss, ein starker Druckabfall entsteht. Der starke Druckabfall, der in dem Wärmetauscher 10 entsteht, erschwert das Pumpen von Fluid zu dem Wärmetauscher 10 und verstärkt die Instabilitäten.

1C veranschaulicht eine schematische Seitenansicht eines mehrstufigen Wärmetauschers 20 nach dem Stand der Technik. Fluid tritt in den mehrstufigen Wärmetauscher 20 durch die Anschlussöffnung 20 ein und strömt abwärts durch mehrere Düsen 28 in der mittleren Schicht 26 zur Bodenfläche 27 und aus der Anschlussöffnung 24 heraus. Überdies strömt das Fluid, das in den Düsen 28 entlang fließt, nicht gleichmäßig zur Bodenfläche 27 hinab. Außerdem ist der Wärmetauscher von 1C mit den gleichen Problemen behaftet, wie sie oben in Bezug auf den Wärmetauscher 10 der 1A und 1B besprochen wurden.

Es besteht Bedarf an einem Wärmetauscher, der so konfiguriert ist, dass ein geringer Druckabfall zwischen den Fluidein- und -auslässen erreicht wird, während gleichzeitig die Wärmequelle effizient gekühlt wird. Es besteht Bedarf an einem Mikrokanal-Wärmetauscher, der so konfiguriert ist, dass eine ordentliche Temperaturgleichmäßigkeit in der Wärmequelle entsteht. Und es besteht Bedarf an einem Wärmetauscher, der so konfiguriert ist, dass eine ordentliche Temperaturgleichmäßigkeit in Bezug auf Heißpunkte in der Wärmequelle entsteht.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Wärmetauscher eine Zwischenschicht bzw. eine Grenzschicht, die eine Wärmequelle kühlt. Die Zwischenschicht steht mit der Wärmequelle in Kontakt und ist dafür konfiguriert, Flüssigkeit dort hindurch zu leiten. Der Wärmetauscher enthält des Weiteren eine Verteilerschicht, die mit der Zwischenschicht verbunden ist. Die Verteilerschicht umfasst des Weiteren eine erste Gruppe einzelner Löcher zum Hinführen von Fluid zur Zwischenschicht und eine zweite Gruppe einzelner Löcher zum Fortführen von Fluid von der Zwischenschicht. Die Verteilerschicht umfasst des Weiteren eine erste Anschlussöffnung, die der ersten Gruppe einzelner Löcher Fluid zuführt, und eine zweite Anschlussöffnung, die Fluid, das von der zweiten Gruppe einzelner Löcher fortgeführt wird, abführt. Die erste Gruppe von Löchern und die zweite Gruppe von Löchern sind so angeordnet, dass die Fluidwegstrecke zwischen der ersten und der zweiten Anschlussöffnung so kurz wie möglich gehalten wird, um die Wärmequelle ausreichend zu kühlen. Jedes Loch in der ersten Gruppe ist um eine minimierte optimale Distanz zu einem benachbarten Loch der zweiten Gruppe angeordnet. Fluid, das durch den Wärmetauscher fließt, befindet sich in einem oder in zwei Phasenströmungszuständen oder einer Kombination aus beiden. Die Verteilerschicht umfasst des Weiteren eine Zirkulationsebene, welche die ersten und zweiten Löcher enthält, die sich durch sie hindurch erstrecken. Die Zirkulationsebene ist mit der Zwischenschicht verbunden und ist so konfiguriert, dass sie Fluid über die erste und die zweite Gruppe von Löchern trennbar zu der Zwischenschicht hinführt und von der Zwischenschicht fortführt. Die erste und die zweite Gruppe von Löchern enthalten jeweils einen damit in strömungsmäßiger Verbindung stehenden zylindrischen Vorsprung, wobei sich jeder der zylindrischen Vorsprünge relativ zu der Zirkulationsebene im Wesentlichen vertikal erstreckt. Die Verteilerschicht umfasst des Weiteren eine erste Ebene, die mit der Zirkulationsebene und der ersten Anschlussöffnung in Verbindung steht. Die erste Ebene ist so konfiguriert, dass sie Fluid zwischen der ersten Anschlussöffnung und der ersten Gruppe von Löchern leitet. Eine zweite Ebene ist mit der ersten Ebene und der zweiten Anschlussöffnung verbunden. Die zweite Ebene ist so konfiguriert, dass sie Fluid zwischen der zweiten Anschlussöffnung und der zweiten Gruppe von Löchern leitet, wobei Fluid, das über die erste Ebene geleitet wird, von dem Fluid, das über die zweite Ebene geleitet wird, getrennt gehalten wird. Die erste Ebene umfasst des Weiteren einen ersten Korridor, der mit der ersten Anschlussöffnung verbunden ist, wobei die erste Gruppe von Löchern abdichtbar mit dem ersten Korridor in Eingriff steht. Die erste Ebene umfasst des Weiteren einen zweiten Korridor, der mit der zweiten Anschlussöffnung verbunden ist, wobei die zweite Gruppe von Löchern abdichtbar mit dem zweiten Korridor in Eingriff steht. Die erste und die zweite Gruppe von Löchern sind thermisch voneinander isoliert, um zu verhindern, dass Wärme von der einen Gruppe zur anderen übertragen wird. In einer Ausführungsform sind die erste und die zweite Gruppe von Löchern entlang wenigstens einer Dimension der Zirkulationsebene gleichmäßig angeordnet. In einer anderen Ausführungsform sind die erste und die zweite Gruppe von Löchern entlang wenigstens einer Dimension der Zirkulationsebene ungleichmäßig angeordnet. Die erste und die zweite Gruppe von Löchern sind separat voneinander abgedichtet. Alternativ sind die erste und die zweite Gruppe von Löchern so angeordnet, dass wenigstens eine Heißpunkt-Grenzflächenregion in der Wärmequelle gekühlt wird. Bei einer Ausführungsform hat wenigstens eines der Löcher in der ersten Gruppe eine erste Abmessung, die einer zweiten Abmessung wenigstens eines Loches in der zweiten Gruppe im Wesentlichen äquivalent ist. Bei einer anderen Ausführungsform hat wenigstens eines der Löcher in der ersten Gruppe eine erste Abmessung, die sich von einer zweiten Abmessung wenigstens eines Loches in der zweiten Gruppe unterscheidet. Die Zwischenschicht hat eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/mK. Die Zwischenschicht umfasst des Weiteren mehrere Säulen, die in einem zuvor festgelegten Muster entlang der Zwischenschicht konfiguriert sind. Alternativ ist eine zweckmäßige Anzahl Säulen in einem zuvor festgelegten Bereich entlang der Zwischenschicht angeordnet. Alternativ enthalten die Säulen eine Beschichtung, wobei die Beschichtung eine zweckmäßige Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweist. Alternativ umfasst die Zwischenschicht des Weiteren eine auf ihr abgelagerte poröse Mikrostruktur. Alternativ hat die Zwischenschicht eine aufgeraute Oberfläche. Alternativ sind mehrere Mikrokanäle in einer zweckmäßigen Konfiguration in der Zwischenschicht angeordnet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Wärmetauscher so konfigurierbar, dass er mit einer Wärmequelle verbunden werden kann. Der Wärmetauscher umfasst eine Zwischenschicht, die mit der Wärmequelle verbunden ist und so konfiguriert ist, dass sie Fluid dort hindurch leitet. Somit wird das Fluid einem thermischen Tausch mit Wärme, die von der Wärmequelle erzeugt wurde, unterzogen. Der Wärmetauscher umfasst des Weiteren eine Verteilerschicht, die mit der Zwischenschicht verbunden ist, die wenigstens eine Fluideinlassanschlussöffnung aufweist. Die Fluideinlassanschlussöffnung ist mit einem im Wesentlichen vertikalen Einlassfluidpfad verbunden, der Fluid zur Zwischenschicht leitet. Der Wärmetauscher umfasst des Weiteren wenigstens eine Fluidauslassanschlussöffnung, die mit einem im Wesentlichen vertikalen Auslassfluidpfad verbunden ist, der Fluid aus der Zwischenschicht abführt. Der Einlass- und der Auslassfluidpfad sind um eine optimale Mindestfluidströ mungsdistanz voneinander beabstandet. Die Verteilerschicht umfasst des Weiteren eine Zirkulationsebene, die mit der Zwischenschicht verbunden ist. Die Zirkulationsebene hat mehrere Einlassöffnungen, die sich vertikal durch diese hindurch erstrecken und dazu dienen, Fluid entlang des Einlassfluidpfades zur Zwischenschicht zu leiten. Die Zirkulationsebene hat mehrere Auslassöffnungen, die sich vertikal durch diese hindurch erstrecken und dazu dienen, Fluid entlang des Auslassfluidpfades von der Zwischenschicht fort zu leiten. Die Verteilerschicht enthält eine Einlassebene, die mit der Zirkulationsebene und der Einlassanschlussöffnung verbunden ist. Die Einlassebene ist so konfiguriert, dass sie Fluid von der Einlassanschlussöffnung zu den Einlassöffnungen leitet. Die Verteilerschicht enthält eine Auslassebene, die mit der Zirkulationsebene und der Auslassanschlussöffnung verbunden ist. Die Auslassebene ist so konfiguriert, dass sie Fluid von den Auslassöffnungen zur Auslassanschlussöffnung leitet. Fluid, das über die Einlassebene geleitet wird, fließt von dem Fluid getrennt, das über die Auslassebene geleitet wird. Der Fluidpfad in der Einlassebene umfasst des Weiteren einen Fluidkorridor, der Fluid horizontal von der Einlassanschlussöffnung zu den Einlassöffnungen leitet. Der Fluidpfad in der Auslassebene umfasst des Weiteren einen Fluidkorridor, der Fluid horizontal von den Auslassöffnungen zur Auslassanschlussöffnung leitet. In einer Ausführungsform sind die Einlass- und Auslassfluidöffnungen entlang wenigstens einer Dimension in der Zirkulationsebene einzeln gleichmäßig angeordnet. In einer anderen Ausführungsform sind die Einlass- und Auslassfluidöffnungen entlang wenigstens einer Dimension in der Zirkulationsebene ungleichmäßig angeordnet. Die Einlass- und Auslassfluidpfade sind separat voneinander abgedichtet. Alternativ sind die Einlass- und Auslassfluidöffnungen so angeordnet, dass wenigstens eine Grenzflächen-Heißpunktkühlregion in der Wärmequelle gekühlt wird. Bei einer Ausführungsform hat wenigstens eine der Einlassöffnungen eine Einlassabmessung, die einer Auslassabmessung wenigstens einer Auslassöffnung im Wesentlichen äquivalent ist. Bei einer anderen Ausführungsform hat wenigstens eine der Einlassöffnungen eine Einlassabmessung, die sich von einer Auslassabmessung wenigstens einer Auslassöffnung unterscheidet. Die Zwischenschicht hat vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/mK. Die Zwischenschicht umfasst des Weiteren mehrere Säulen, die in einem zweckmäßigen Muster auf ihr angeordnet sind, wobei eine zweckmäßige Anzahl Säulen in einem zuvor festgelegten Bereich entlang der Zwischenschicht angeordnet sind. Alternativ hat die Zwischenschicht eine aufgeraute Oberfläche. Die mehreren Säulen haben eine Beschichtung, wobei die Beschichtung eine zweckmäßige Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweist. Alternativ weist die Zwischenschicht eine auf ihr abgelagerte poröse Mikrostruktur auf. Der Wärmetauscher enthält mehrere zylindrische Vorsprünge, die sich um eine zweckmäßige Höhe von der Zirkulationsebene erstrecken, wobei jeder Vorsprung mit der ersten und der zweiten Gruppe von Öffnungen in strömungsmäßiger Verbindung steht. Die zylindrischen Vorsprünge sind thermisch voneinander isoliert, um zu verhindern, dass Wärme von einem Vorsprung zum anderen übertragen wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Verteilerschicht, die dafür konfiguriert ist, mit einer Zwischenschicht verbunden zu werden, so dass ein Mikrokanal-Wärmetauscher entsteht, eine Einlassanschlussöffnung, die ein Fluid mit einer ersten Temperatur zuführt. Die Verteilerschicht enthält des Weiteren einen Einlassfluidpfad, der mit der Einlassanschlussöffnung in strömungsmäßiger Verbindung steht, wobei der Einlassfluidpfad geeignet ist, das Fluid mit einer ersten Temperatur zu der Zwischenschicht zu leiten. Die Verteilerschicht enthält einen Auslassfluidpfad, der geeignet ist, ein Fluid mit einer zweiten Temperatur von der Zwischenschicht abzuführen, wobei das Fluid mit der ersten Temperatur und das Fluid mit der zweiten Temperatur in der Verteilerschicht getrennt voneinander gehalten werden. Die Verteilerschicht enthält eine Auslassanschlussöffnung, die mit dem Auslassfluidpfad in strömungsmäßiger Verbindung steht. Das Fluid mit einer zweiten Temperatur verlässt die Verteilerschicht über die Auslassanschlussöffnung. Jeder Einlasskanal stellt einen direkten Einlassströmungspfad von der ersten Anschlussöffnung zu der Zwischenschicht bereit, und jeder Auslasskanal stellt einen direkten Auslassströmungspfad von der Zwischenschicht zu der zweiten Anschlussöffnung bereit. Die Einlass- und Auslasskanäle sind so angeordnet, dass die Fluidströmungsdistanz zwischen ihnen minimiert wird. Die Einlass- und Auslasskanäle sind entlang wenigstens einer Dimension der dritten Schicht gleichmäßig angeordnet. Alternativ sind die Einlass- und Auslasskanäle entlang wenigstens einer Dimension der dritten Schicht ungleichmäßig angeordnet. Die Einlass- und Auslasskanäle sind separat voneinander abgedichtet. Alternativ sind die Einlass- und Auslasskanäle so in der dritten Schicht angeordnet, dass wenigstens eine Heißpunkt-Grenzflächenregion in der Wärmequelle gekühlt wird. Wenigstens einer der Einlasskanäle hat eine Einlassabmessung, die einer Auslassabmessung wenigstens eines Auslasskanals im Wesentlichen äquivalent ist. Alternativ hat wenigstens einer der Einlasskanäle eine Einlassabmessung, die sich von einer Auslassabmessung wenigstens eines Auslasskanals unterscheidet. Die Verteilerschicht umfasst des Weiteren mehrere zylindrische Vorsprünge, die sich um eine zweckmäßige Höhe von der Zirkulationsebene erstrecken, wobei jeder Vorsprung einzeln mit den Einlass- und Auslasskanälen in strömungsmäßiger Verbindung steht. Die zylindrischen Vorsprünge sind ebenfalls thermisch voneinander isoliert, um zu verhindern, dass Wärme von einem Vor sprung zum anderen übertragen wird. Die Vorsprünge, die mit den Einlasskanälen in strömungsmäßiger Verbindung stehen, sind abdichtbar mit dem Fluideintrittskorridor verbunden, und die Vorsprünge, die mit den Auslasskanälen in strömungsmäßiger Verbindung stehen, sind abdichtbar mit dem Fluidaustrittskorridor verbunden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, der dafür konfiguriert ist, eine Wärmequelle zu kühlen. Das Verfahren umfasst den Schritt des Ausbildens einer Zwischenschicht, die so konfigurierbar ist, dass sie mit der Wärmequelle verbunden werden kann, wobei die Zwischenschicht Fluid dort hindurch leiten kann, um die Wärmequelle zu kühlen. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Ausbilden einer Verteilerschicht, die mehrere im Wesentlichen vertikale Einlassfluidpfade und mehrere im Wesentlichen vertikale Auslassfluidpfade enthält. Die Einlass- und Auslassfluidpfade sind so angeordnet, dass sie den Fluidstrom um eine optimale Mindestdistanz zwischen sich entlang der Zwischenschicht leiten. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Verbinden der Verteilerschicht mit der Zwischenschicht. Das Verfahren umfasst des Weiteren den Schritt des Verbindens wenigstens einer Einlassfluidanschlussöffnung mit den Einlassfluidpfaden, wobei Fluid über die Einlassfluidanschlussöffnung in den Wärmetauscher eintritt. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Verbinden wenigstens einer Auslassfluidanschlussöffnung mit den Auslassfluidpfaden, wobei Fluid den Wärmetauscher über die Auslassfluidanschlussöffnung verlässt. Der Schritt des Ausbildens der Verteilerschicht umfasst des Weiteren das Ausbilden einer Zirkulationsebene, die mehrere Einlassöffnungen aufweist, die sich vertikal dort hindurch zu der Zwischenschicht erstrecken, wobei die Einlassöffnungen Einlassfluid durch die Einlassfluidpfade leiten. Die Zirkulationsebene hat des Weiteren mehrere Auslassöffnungen, die sich vertikal dort hindurch zu der Zwischenschicht erstrecken und Auslassfluid durch die Auslassfluidpfade leiten. Der Schritt des Ausbildens der Verteilerschicht umfasst des Weiteren das Ausbilden einer Einlassebene, um Fluid von der Einlassanschlussöffnung über den Einlasskorridor zu den Einlassöffnungen zu leiten. Der Schritt des Ausbildens der Verteilerschicht umfasst des Weiteren das Verbinden der Einlassebene mit der Zirkulationsebene, wobei die Einlassöffnungen abdichtbar mit dem Einlasskorridor verbunden sind. Der Schritt des Ausbildens der Verteilerschicht umfasst des Weiteren das Ausbilden einer Auslassebene, um Fluid von den Auslassöffnungen über einen Auslasskorridor zu der Auslassanschlussöffnung zu leiten. Der Schritt des Ausbildens der Verteilerschicht enthält des Weiteren das Verbinden der Auslassebene mit der Zirkulationsebene, wobei die Auslassöffnungen abdichtbar mit dem Auslasskorridor verbunden sind. Fluid, das über die Einlassebene geleitet wird, wird von dem Fluid getrennt gehalten, das über die Auslassebene geleitet wird. Die Einlass- und Auslassfluidpfade sind so angeordnet, dass wenigstens eine Heißpunkt-Grenzflächenregion in der Wärmequelle gekühlt wird. Das Verfahren umfasst des Weiteren den Schritt des Isolierens der Fluideinlasspfade und der Fluidauslasspfade in der Verteilerschicht, um die Übertragung von Wärme zwischen beiden zu minimieren. Die Zwischenschicht hat eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/in K. Das Verfahren beinhaltet alternativ den Schritt des Aufgalvanisierens einer Wärmeleitbeschichtung auf die Zwischenschicht. Das Verfahren beinhaltet des Weiteren das Ausbilden mehrerer Säulen in einem zuvor festgelegten Muster entlang der Zwischenschicht. Alternativ umfasst das Herstellungsverfahren des Weiteren das Ausbilden der Zwischenschicht mit einer aufgerauten Oberfläche. Das Herstellungsverfahren umfasst alternativ das Ausbilden einer mikroporösen Struktur auf der Zwischenschicht. Das Herstellungsverfahren umfasst alternativ das Ausbilden mehrerer Mikrokanäle auf der Zwischenschicht. Das Verfahren umfasst alternativ den Schritt des Aufbringens einer Wärmeleitbeschichtung auf die mehreren Säulen. Die mehreren Säulen werden alternativ durch ein galvanoplastisches Verfahren oder ein Ätzverfahren wie beispielsweise Nassätzung, Plasmaätzung, fotochemisches Ätzen, chemisches Ätzen und laserunterstütztes chemisches Ätzen hergestellt. Das galvanoplastische Verfahren wird alternativ in Kombination mit einer Heißprägetechnik oder einem weichlithografischen Strukturierungsverfahren ausgeführt. Die Verteilerschicht wird alternativ durch ein Laserbohrverfahren hergestellt. Die Verteilerschicht wird alternativ durch eine Weichlithografietechnik hergestellt. Die Verteilerschicht wird durch ein maschinelles Verfahren hergestellt. Die Verteilerschicht wird alternativ durch ein Spritzgussverfahren, ein Funkenerosionsverfahren (EDM), ein Prägeverfahren, ein Metallspritzgussverfahren (MIM), ein Kreuzschnittverfahren oder ein Sägeverfahren ausgebildet.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus dem Studium der detaillierten Beschreibung der im Folgenden dargelegten bevorzugten und alternativen Ausführungsformen hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A veranschaulicht eine Seitenansicht eines herkömmlichen Wärmetauschers.
1B veranschaulicht eine Draufsicht auf den herkömmlichen Wärmetauscher.
1C veranschaulicht eine schematische Seitenansicht eines mehrstufigen Wärmetauschers nach dem Stand der Technik.
2A veranschaulicht ein Schaubild eines Geschlossenkreis-Kühlsystems mit einer alternativen Ausführungsform des flexiblen Fluidzufuhr-Mikrokanalwärmetauschers der vorliegenden Erfindung.
2B veranschaulicht ein Schaubild eines Geschlossenkreis-Kühlsystems mit einer alternativen Ausführungsform des flexiblen Fluidzufuhr-Mikrokanalwärmetauschers der vorliegenden Erfindung.
3A veranschaulicht eine Draufsicht auf die alternative Verteilerschicht des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung.
3B veranschaulicht eine auseinandergezogene Ansicht des alternativen Wärmetauschers mit der alternativen Verteilerschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer verschachtelten Verteilerschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 veranschaulicht eine Draufsicht auf die verschachtelte Verteilerschicht mit Zwischenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
6A veranschaulicht einen Querschnitt entlang der Linie A-A durch die verschachtelte Verteilerschicht mit Zwischenschicht der vorliegenden Erfindung.
6B veranschaulicht einen Querschnitt entlang der Linie B-B durch die verschachtelte Verteilerschicht mit Zwischenschicht der vorliegenden Erfindung.
6C veranschaulicht einen Querschnitt entlang der Linie C-C durch die verschachtelte Verteilerschicht mit Zwischenschicht der vorliegenden Erfindung.
7A veranschaulicht eine auseinandergezogene Ansicht der verschachtelten Verteilerschicht mit Zwischenschicht der vorliegenden Erfindung.
7B veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Zwischenschicht der vorliegenden Erfindung.
8A veranschaulicht eine schematische Draufsicht auf eine alternative Verteilerschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
8B veranschaulicht eine schematische Draufsicht auf die Zwischenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
8C veranschaulicht eine schematische Draufsicht auf die Zwischenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
9A veranschaulicht eine schematische Seitenansicht der alternativen Ausführungsform des Dreiebenen-Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung.
9B veranschaulicht eine schematische Seitenansicht der alternativen Ausführungsform des Zweiebenen-Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung.
10A–10E veranschaulichen eine perspektivische Ansicht der Zwischenschicht mit verschiedenen Mikrostiftanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung.
11 veranschaulicht eine schematische perspektivische weggeschnittene Ansicht des alternativen Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung.
12A veranschaulicht eine auseinandergezogene Ansicht eines alternativen Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung.
12B veranschaulicht eine auseinandergezogene Ansicht eines alternativen Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung.
12C veranschaulicht eine perspektivische Ansicht der alternativen Zirkulationsebene gemäß der vorliegenden Erfindung.
12D veranschaulicht eine perspektivische Ansicht der Bodenfläche der alternativen Einlassebene gemäß der vorliegenden Erfindung.
12E veranschaulicht eine perspektivische Ansicht der Bodenfläche einer alternativen Einlassebene gemäß der vorliegenden Erfindung.
12F veranschaulicht eine perspektivische Ansicht der Bodenfläche der alternativen Auslassebene gemäß der vorliegenden Erfindung.
12G veranschaulicht eine perspektivische Ansicht der Bodenfläche einer alternativen Auslassebene gemäß der vorliegenden Erfindung.
12H veranschaulicht einen Querschnitt durch den alternativen Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung.
12I veranschaulicht einen Querschnitt durch den alternativen Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung.
13 veranschaulicht eine Draufsicht auf die Zirkulationsebene mit einer Anordnung von Einlass- und Auslassöffnungen für eine Einphasenfluidströmung gemäß der vorliegenden Erfindung.
14 veranschaulicht eine Draufsicht auf die Zirkulationsebene mit einer Anordnung von Einlass- und Auslassöffnungen für eine Zweiphasenfluidströmung gemäß der vorliegenden Erfindung.
15 veranschaulicht eine schematische Seitenansicht der Zwischenschicht des Wärmetauschers mit einem aufgetragenen Beschichtungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung.
16 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm eines alternativen Verfahrens zur Herstellung des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung.
17 veranschaulicht eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei zwei Wärmetauscher mit einer Wärmequelle verbunden sind.
18 veranschaulicht eine auseinandergezogene Ansicht eines bevorzugten Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung.
19 veranschaulicht eine auseinandergezogene Ansicht des bevorzugten Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung.
20 veranschaulicht einen Querschnitt durch den bevorzugten Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Allgemein ausgedrückt, nimmt der Wärmetauscher die von einer Wärmequelle erzeugte Wärmeenergie auf, indem Fluid durch selektive Bereiche der Zwischenschicht, die vorzugsweise mit der Wärmequelle verbunden ist, geleitet wird. Insbesondere wird das Fluid zu bestimmten Bereichen in der Zwischenschicht gelenkt, um die Heißpunkte und die Bereiche um die Heißpunkte zu kühlen, um allgemein eine Temperaturgleichmäßigkeit in der Wärmequelle zu erreichen, während gleichzeitig ein geringer Druckabfall in dem Wärmetauscher beibehalten wird. Wie weiter unten bei den verschiedenen Ausführungsformen besprochen wird, verwendet der Wärmetauscher mehrere Öffnungen, Kanäle und/oder Finger in der Verteilerschicht sowie Röhren in der Zwischenschicht, um Fluid zu und von ausgewählten Heißpunktbereichen in der Zwischenschicht zu lenken und zu zirkulieren. Alternativ enthält der Wärmetauscher mehrere Anschlussöffnungen, die speziell in zuvor festgelegten Positionen angeordnet sind, um Fluid direkt zu den Heißpunkten hinzuführen und direkt von den Heißpunkten abzuführen, um die Wärmequelle wirksam zu kühlen.
Der Fachmann erkennt, dass, obgleich der Mikrokanal-Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung in Bezug auf das Kühlen von Heißpunktstellen in einer Vorrichtung beschrieben und besprochen wird, der Wärmetauscher alternativ auch zum Erwärmen einer Kaltpunktstelle in einer Vorrichtung verwendet werden kann. Es ist des Weiteren zu beachten, dass, obgleich die vorliegende Erfindung bevorzugt als ein Mikrokanal-Wärmetauscher beschrieben wird, die vorliegende Erfindung auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden kann und nicht auf die Besprechung im vorliegenden Text beschränkt ist.
2A veranschaulicht ein Schaubild eines hermetisch abgedichteten Geschlossenkreis-Kühlsystems 30 mit einem alternativen flexiblen Fluidzufuhr-Mikrokanalwärmetauscher 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Des Weiteren veranschaulicht 2B ein Schaubild eines Geschlossenkreis-Kühlsystems 30 mit einem alternativen flexiblen Fluidzufuhr-Mikrokanalwärmetauscher 100 mit mehreren Anschlussöffnungen 108, 109 gemäß der vorliegenden Erfindung. Es ist zu beachten, dass das System alternativ auch andere Wärmetauscherausführungsformen beinhaltet und nicht auf den alternativen Wärmetauscher 100 beschränkt ist.
Wie in 2A zu sehen, sind die Fluidanschlussöffnungen 108, 109 mit Fluidleitungen 38 verbunden, die an eine Pumpe 32 und einen Wärmekondensator 30 angeschlossen sind. Die Pumpe 32 pumpt und zirkuliert Fluid innerhalb des geschlossenen Kreislaufs 30. Bei einer Alternative wird eine einzelne Fluidanschlussöffnung 108 verwendet, um dem Wärmetauscher 100 Fluid zuzuführen. Außerdem wird eine einzelne Fluidanschlussöffnung 109 verwendet, um Fluid aus dem Wärmetauscher 100 abzuführen. Bei einer Ausführungsform tritt eine gleichmäßige konstante Fluidströmungsmenge über die Fluidanschlussöffnung 108 in den Wärmetauscher 100 ein und verlässt den Wärmetauscher 100 über die Fluidanschlussöffnung 109 wieder. Alternativ fließen verschiedene Fluidmengen zu einem bestimmten Zeitpunkt über die Fluidanschlussöffnung(en) 108 bzw. 109 in den Wärmetauscher 100 hinein und aus dem Wärmetauscher 100 heraus. Alternativ, wie in 2B gezeigt, führt eine einzelne Pumpe verschiedenen bestimmten Einlassanschlussöffnungen 108 Fluid zu. Alternativ führen mehrere (nicht gezeigte) Pumpen Fluid zu ihren jeweiligen Ein- und Auslassanschlussöffnungen 108, 109 zu. Des Weiteren wird alternativ das dynamische Sensor- und Steuermodul 34 in dem System verwendet, um die Menge und die Strömungsrate des Fluids, das in den bevorzugten oder alternativen Wärmetauscher hinein- und aus ihm herausfließt, in Reaktion auf variierende Heißpunkte oder Änderungen bei der Wärmemenge einer Heißpunktstelle sowie Änderungen bei den Stellen der Heißpunkte zu variieren und dynamisch zu steuern.
3B veranschaulicht eine auseinandergezogene Ansicht des alternativen Dreiebenen-Wärmetauschers 100 mit der alternativen Verteilerschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die in 3B gezeigte alternative Ausführungsform ist ein Dreiebenen-Wärmetauscher 100 mit einer Zwischenschicht 102, wenigstens einer Zwischenschicht 104 und wenigstens einer Verteilerschicht 106. Alternativ ist der Wärmetauscher 100, wie weiter unten besprochen, eine Vorrichtung mit zwei Ebenen, welche die Zwischenschicht 102 und die Verteilerschicht 106 enthält. Wie in den 2A und 2B gezeigt, ist der Wärmetauscher 100 mit einer Wärmequelle 99 verbunden, wie beispielsweise einem elektronischen Bauelement, einschließlich beispielsweise eines Mikrochips und eines integrierten Schaltkreises, wobei ein Wärmegrenzflächenmaterial 98 vorzugsweise zwischen der Wärmequelle 99 und dem Wärmetauscher 100 angeordnet ist. Alternativ ist der Wärmetauscher 100 direkt mit der Oberfläche der Wärmequelle 99 verbunden. Der Fachmann erkennt auch, dass der Wärmetauscher 100 alternativ integral in der Wärmequelle 99 ausgebildet ist, d. h. der Wärmetauscher 100 und die Wärmequelle 99 sind einstückig ausgebildet. Somit ist die Zwischenschicht 102 integral mit der Wärmequelle 99 angeordnet und ist mit der Wärmequelle einstückig ausgebildet. Außerdem ist alternativ ein thermoelektrisches Element 97 zwischen dem Wärmegrenzflächenmaterial 98 und der Wärmequelle 99 angeordnet. Das thermoelektrische Element 97 wird weiter unten näher besprochen.
Der Mikrokanal-Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise so konfiguriert, dass er direkt oder indirekt mit der Wärmequelle 99, die eine rechteckige Form aufweist, wie in den Figuren gezeigt, in Kontakt steht. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass der Wärmetauscher 100 auch jede andere Form haben kann, die der Form der Wärmequelle 99 entspricht. Beispielsweise kann der Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung so konfiguriert sein, dass er eine äußere Halbkreisform hat, wobei der (nicht gezeigte) Wärmetauscher in direktem oder indirektem Kontakt mit einer entsprechenden (nicht gezeigten) halbkreisförmigen Wärmequelle stehen kann. Des Weiteren ist der Wärmetauscher vorzugsweise geringfügig größer als die Wärmequelle, d. h. im Bereich von 0,5 bis 5,0 Millimetern.
3A veranschaulicht eine Draufsicht auf die alternative Verteilerschicht 106 der vorliegenden Erfindung. Insbesondere, wie in 3B gezeigt, enthält die Verteilerschicht 106 vier Seiten sowie eine Oberseite 130 und eine Bodenfläche 132. Jedoch ist in 3A die Oberseite 130 abgenommen, um die Arbeitsweise der Verteilerschicht 106 richtig veranschaulichen und beschreiben zu können. Wie in 3A zu sehen, sind in der Verteilerschicht 106 eine Reihe von Kanälen oder Passagen 116, 118, 120, 122 sowie Anschlussöffnungen 108, 109 ausgebildet. Die Finger 118, 120 erstrecken sich in Z-Richtung vollständig durch den Körper der Verteilerschicht 106, wie in 3B gezeigt. Alternativ erstrecken sich die Finger 118 und 120 in Z-Richtung teilweise durch die Verteilerschicht 106 und haben Öffnungen, wie in 3A gezeigt. Außerdem 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, strömt das Fluid über die Einlassanschlussöffnung 108 in die Verteilerschicht 106 hinein und fließt in dem Einlasskanal 116 entlang zu mehreren Fingern 118, die von dem Kanal 116 in verschiedene Richtungen in der X- und/oder Y-Richtung abzweigen, um Fluid zu ausgewählten Regionen in der Zwischenschicht 102 zu leiten. Die Finger 118 sind in verschiedene zuvor festgelegte Richtungen ausgerichtet, um Fluid zu den Stellen in der Zwischenschicht 102 zu leiten, die den Bereichen an den oder nahe den Heißpunkten in der Wärmequelle entsprechen. Diese Stellen in der Zwischenschicht 102 werden im Weiteren als Heißpunkt-Grenzflächenregionen bezeichnet. Die Finger sind dafür konfiguriert, sowohl stationäre als auch zeitweilig variierende Heißpunkt-Grenzflächenregionen zu kühlen. Wie in 3A gezeigt, sind die Kanäle 116, 122 und die Finger 118, 120 in der X- und/oder Y-Richtung in der Verteilerschicht 106 angeordnet. Somit gestatten es die verschiedenen Richtungen der Kanäle 116, 122 und der Finger 118, 120, Fluid dergestalt zuzuführen, dass Heißpunkte in der Wärmequelle 99 gekühlt werden und/oder der Druckabfall im Wärmetauscher 100 minimiert wird. Alternativ sind die Kanäle 116, 122 und die Finger 118, 120 periodisch in der Verteilerschicht 106 angeordnet und weisen ein Muster auf, wie in dem Beispiel aus den 4 und 5.
Die Anordnung sowie die Abmessungen der Finger 118, 120 werden anhand der Heißpunkte in der Wärmequelle 99, die gekühlt werden sollen, festgelegt. Die Stellen der Heißpunkte sowie die Wärmemenge, die nahe jedem oder an jedem Heißpunkt erzeugt wird, werden herangezogen, um die Verteilerschicht 106 dergestalt zu konfigurieren, dass die Finger 118, 120 über oder nahe den Heißpunkt-Grenzflächenregionen in der Zwischenschicht 102 angeordnet sind. Die Verteilerschicht 106 ermöglicht es Einphasen- und/oder Zweiphasenfluid zur Zwischenschicht 102 zu zirkulieren, ohne dass in dem Wärmetauscher 100 und in dem System 30 (2A) ein wesentlicher Druckabfall zugelassen wird. Die Fluidzufuhr zu den Heißpunkt-Grenzflächenregionen erzeugt eine gleichmäßige Temperatur an der Heißpunkt- Grenzflächenregion sowie in Bereichen in der Wärmequelle, die sich neben den Heißpunkt-Grenzflächenregionen befinden.
Die Abmessungen sowie die Anzahl der Kanäle 116 und Finger 118 hängen von einer Reihe von Faktoren ab. Bei einer Ausführungsform haben die Einlass- und Auslassfinger 118, 120 die gleiche Breite. Alternativ haben die Einlass- und Auslassfinger 118, 120 unterschiedliche Breiten. Die Breiten der Finger 118, 120 liegen im Bereich von 0,25 bis 0,50 Millimetern. Bei einer Ausführungsform haben die Einlass- und Auslassfinger 118, 120 die gleiche Länge und Tiefe. Alternativ haben die Einlass- und Auslassfinger 118, 120 unterschiedliche Längen und Tiefen. Bei einer anderen Ausführungsform haben die Einlass- und Auslassfinger 118, 120 entlang der Länge des Fingers variierende Breiten. Die Längen der Einlass- und Auslassfinger 118, 120 liegen im Bereich von 0,5 Millimetern bis zum Dreifachen der Länge der Wärmequelle. Des Weiteren haben die Finger 118, 120 eine Höhe oder Tiefe im Bereich von 0,25 bis 0,50 Millimetern. Des Weiteren sind alternativ weniger als 10 oder mehr als 30 Finger pro Zentimeter in der Verteilerschicht 106 angeordnet. Der Fachmann erkennt jedoch, dass zwischen 10 und 30 Fingern pro Zentimeter in der Verteilerschicht ebenso in Betracht kommen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird erwogen, die Geometrien der Finger 118, 120 und der Kanäle 116, 122 in einer nicht-periodischen Anordnung in der Weise zu gestalten, dass die Kühlung der Heißpunkte der Wärmequelle optimiert wird. Um eine gleichmäßige Temperatur in der gesamten Wärmequelle 99 zu erreichen, wird die räumliche Verteilung des Wärmetransfers zum Fluid auf die räumliche Verteilung der Wärmeerzeugung abgestimmt. Wenn das Fluid in der Zwischenschicht durch die Mikrokanäle 110 fließt, steigt seine Temperatur, und es beginnt die Umwandlung in Dampf unter Zweiphasenbedingungen. Das Fluid dehnt sich dadurch beträchtlich aus, wodurch seine Strömungsgeschwindigkeit stark zunimmt. Im Allgemeinen verbessert sich die Effizienz des Wärmetransfers von der Zwischenschicht zum Fluid bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Darum ist es möglich, die Effizienz des Wärmetransfers zum Fluid durch Anpassen des Querschnitts der Fluidzufuhr- und -abfuhrfinger 118, 120 und der Kanäle 116, 122 in dem Wärmetauscher 100 genau abzustimmen.
Beispielsweise kann ein bestimmter Finger für eine Wärmequelle konstruiert werden, wo nahe dem Einlass mehr Wärme erzeugt wird. Des Weiteren kann es von Vorteil sein, einen größeren Querschnitt für die Regionen der Finger 118, 120 und der Kanäle 116, 122 zu konstru ieren, wo ein Gemisch aus Fluid und Dampf erwartet wird. Obgleich nicht gezeigt, kann ein Finger konstruiert werden, der mit einer kleinen Querschnittsfläche am Einlass beginnt, um eine hohe Fluidströmungsgeschwindigkeit zu erreichen. Der bestimmte Finger oder Kanal kann auch so konfiguriert sein, dass er sich an einem stromabwärtigen Auslass zu einem größeren Querschnitt aufweitet, um eine geringere Strömungsgeschwindigkeit zu bewirken. Dieses Design des Fingers oder Kanals ermöglicht es dem Wärmetauscher, den Druckabfall zu minimieren und die Kühlung von Heißpunkten in Bereichen zu optimieren, wo Volumen, Beschleunigung und Geschwindigkeit des Fluids infolge des Übergangs von Flüssigkeit zu Dampf im Zweiphasenstrom zunehmen.
Des Weiteren können die Finger 118, 120 und die Kanäle 116, 122 so konstruiert sein, dass sie sich entlang ihrer Länge aufweiten und anschließend wieder schmaler werden, um die Geschwindigkeit des Fluids an verschiedenen Stellen in dem Mikrokanal-Wärmetauscher 100 zu erhöhen. Alternativ ist es zweckmäßig, die Finger- und Kanalabmessungen viele Male hintereinander von groß zu klein und zurück zu groß zu variieren, um die Effizienz des Wärmetransfers an die erwartete Verteilung der Wärmestreuung in der Wärmequelle 99 anzupassen. Es ist zu beachten, dass die obige Besprechung der variierenden Abmessungen der Finger und Kanäle auch für die anderen besprochenen Ausführungsformen gilt und nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist.
Alternativ, wie in 3A gezeigt, enthält die Verteilerschicht 106 eine oder mehrere Öffnungen 119 in den Einlassfingern 118. In dem Dreiebenen-Wärmetauscher 100 strömt das Fluid, das an den Fingern 118 entlang fließt, die Öffnungen 119 hinab zur Zwischenschicht 104. Alternativ strömt in dem Zweiebenen-Wärmetauscher 100 das Fluid, das an den Fingern 118 entlang fließt, die Öffnungen 119 direkt zur Zwischenschicht 102 hinab. Des Weiteren, wie in 3A gezeigt, enthält die Verteilerschicht 106 Öffnungen 121 in den Auslassfingern 120. In dem Dreiebenen-Wärmetauscher 100 strömt das Fluid, das von der Zwischenschicht 104 kommt, die Öffnungen 121 hinauf in die Auslassfinger 120. Alternativ strömt in dem Zweiebenen-Wärmetauscher 100 das Fluid, das von der Zwischenschicht 102 kommt, direkt die Öffnungen 121 in die Auslassfinger 120 hinauf.
Bei der alternativen Ausführungsform sind die Einlass- und Auslassfinger 118, 120 offene Kanäle, die keine Öffnungen aufweisen. Die Bodenfläche 103 der Verteilerschicht 106 stößt im Fall des Dreiebenen-Tauschers 100 gegen die Oberseite der Zwischenschicht 104 oder im Fall des Zweiebenen-Tauschers gegen die Zwischenschicht 102. Somit strömt im Dreiebenen-Wärmetauscher 100 Fluid ungehindert zu der und von der Zwischenschicht 104 und der Verteilerschicht 106. Das Fluid wird über Röhren 105 in der Zwischenschicht 104 zu der entsprechenden Heißpunkt-Grenzflächenregion hin geleitet und von dort fort geleitet. Der Fachmann erkennt, dass die Röhren 105 direkt auf die Finger ausgerichtet sind, wie weiter unten beschrieben wird, oder an anderer Stelle in dem Dreiebenen-System angeordnet sind.
Obgleich 3B den alternativen Dreiebenen-Wärmetauscher 100 mit der alternativen Verteilerschicht zeigt, ist der Wärmetauscher 100 alternativ eine Zweischichtstruktur, welche die Verteilerschicht 106 und die Zwischenschicht 102 beinhaltet, wobei Fluid direkt zwischen der Verteilerschicht 106 und der Zwischenschicht 102 strömt, ohne durch die Zwischenschicht 104 zu fließen. Der Fachmann erkennt, dass die Konfiguration der Verteiler- und Zwischenschichten nur beispielhaft gezeigt ist und damit nicht auf die gezeigte Konfiguration beschränkt ist.
Wie in 3B gezeigt, enthält die Zwischenschicht 104 mehrere Röhren 105, die sich dort hindurch erstrecken. Die Zuflussröhren 105 leiten Fluid, das von der Verteilerschicht 106 herankommt, zu den vorgegebenen Heißpunkt-Grenzflächenregionen in der Zwischenschicht 102. Gleichermaßen leiten die Öffnungen 105 auch den Fluidstrom von der Zwischenschicht 102 zu der oder den Austrittsfluidanschlussöffnungen 109. Somit führt die Zwischenschicht 104 auch Fluid von der Zwischenschicht 102 zur Austrittsfluidanschlussöffnung 109, wenn die Austrittsfluidanschlussöffnung 108 in strömungsmäßiger Verbindung mit der Verteilerschicht 106 steht.
Die Röhren 105 sind in der Zwischenschicht 104 in einem zuvor festgelegten Muster auf der Basis einer Reihe von Faktoren angeordnet, einschließlich beispielsweise der Stellen der Heißpunkt-Grenzflächenregionen, der Fluidströmungsmenge, die in der Heißpunkt-Grenzflächenregion benötigt wird, um die Wärmequelle 99 ausreichend zu kühlen, und der Temperatur des Fluids. Die Röhren haben eine Breite von 100 Mikron, obgleich auch andere Breiten bis zu einigen Millimetern in Betracht kommen. Des Weiteren haben die Röhren 105 in Abhängigkeit von wenigstens den oben genannten Faktoren auch andere Abmessungen. Der Fachmann erkennt, dass jede Röhre 105 in der Zwischenschicht 104 die gleiche Form und/oder Abmessung hat, auch wenn das nicht erforderlich ist. Beispielsweise haben die Röhren, wie die oben beschriebenen Finger, alternativ eine variierende Länge und/oder Breite.
Des Weiteren haben die Röhren 105 durch die Zwischenschicht 104 hindurch eine konstante Tiefe oder Höhe. Alternativ haben die Röhren 105 durch die Zwischenschicht 104 hindurch eine variierende Tiefe, wie beispielsweise eine Trapez- oder Düsenform. Obgleich die horizontale Form der Röhren 105 in 2C rechteckig dargestellt ist, haben die Röhren 105 alternativ jede beliebige andere Form, einschließlich beispielsweise kreisrund (3A), gekrümmt oder elliptisch. Alternativ ist eine oder sind mehrere Röhren 105 so geformt, dass ihre Kontur dem bzw. den oben beschrieben Fingern ganz oder teilweise entspricht.
Die Zwischenschicht 104 ist in dem Wärmetauscher 100 horizontal angeordnet, und die Röhren 105 sind vertikal angeordnet. Alternativ ist die Zwischenschicht 104 in dem Wärmetauscher 100 in jeder anderen beliebigen Richtung angeordnet, einschließlich beispielsweise diagonaler und gekrümmter Formen. Alternativ sind die Röhren 105 in einer waagerechten, diagonalen, gekrümmten oder einer anderen beliebigen Richtung in der Zwischenschicht 104 angeordnet. Des Weiteren erstreckt sich die Zwischenschicht 104 horizontal über die gesamte Länge des Wärmetauschers 100, wodurch die Zwischenschicht 104 die Zwischenschicht 102 vollständig von der Verteilerschicht 106 trennt, um das Fluid durch die Röhren 105 zu drängen. Alternativ enthält ein Abschnitt des Wärmetauschers 100 nicht die Zwischenschicht 104 zwischen der Verteilerschicht 106 und der Zwischenschicht 102, wodurch Fluid ungehindert zwischen beiden fließen kann. Des Weiteren erstreckt sich die Zwischenschicht 104 alternativ vertikal zwischen der Verteilerschicht 106 und der Zwischenschicht 102, so dass separate, eigenständige Zwischenschichtregionen entstehen. Alternativ erstreckt sich die Zwischenschicht 104 nicht vollständig von der Verteilerschicht 106 zur Zwischenschicht 102.
10A veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Zwischenschicht 302 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 10A gezeigt, enthält die Zwischenschicht 302 eine Reihe von Säulen 303, die sich von der Bodenfläche 301 der Zwischenschicht 302 aufwärts erstrecken. Des Weiteren veranschaulicht 10A eine mikroporöse Struktur 301, die auf der Bodenfläche der Zwischenschicht 302 angeordnet ist. Es ist zu erkennen, dass die Zwischenschicht 302 die mikroporöse Struktur 301 allein oder auch eine Kombination der mikroporösen Struktur mit einer beliebigen anderen Zwischenschichtstruktur (beispielsweise Mikrokanäle, Säulen usw.) enthalten kann. Weitere Einzelheiten bezüglich der mikroporösen Struktur werden weiter unten besprochen.
Wie weiter unten noch eingehender besprochen wird, fließt das Fluid über eine Reihe von Einlassöffnungen zur Zwischenschicht 302 hinab, wobei das Fluid dann die Zwischenschicht 302 über eine Reihe von Auslassöffnungen verlässt, die um eine optimale Distanz von den Einlassöffnungen beabstandet sind. Oder anders ausgedrückt: Das Fluid fließt von jeder Einlassöffnung fort zu der nächstgelegenen Auslassöffnung hin. Bei einer Ausführungsform ist jede Einlassöffnung von Auslassöffnungen umgeben. Somit fließt Fluid, das in die Zwischenschicht 302 strömt, in Richtung der umgebenden Auslassöffnungen. Dementsprechend sorgen die Säulen 303 in der Zwischenschicht 302 für einen ausreichenden Wärmetransfer zu dem Fluid und für einen minimalen Druckabfall des Fluids, während es von den Einlassöffnungen zu den Auslassöffnungen fließt.
Die Zwischenschicht 302 enthält alternativ eine dichte Anordnung hoher schmaler Säulen 303, die sich senkrecht von der Bodenfläche 301 erstrecken und mit der Bodenfläche der Verteilerschicht in Kontakt stehen. Alternativ stehen die Säulen 303 mit der Bodenfläche der Verteilerschicht nicht in Kontakt. Des Weiteren erstreckt sich wenigstens eine der Säulen 303 alternativ in einem Winkel relativ zur Bodenfläche 301 der Zwischenschicht 302. Die Säulen 303 sind des Weiteren entlang der Zwischenschicht 302 gleichmäßig voneinander beabstandet, dergestalt, dass die Wärmetransfereigenschaften der Zwischenschicht 302 über ihre Bodenfläche 301 hinweg gleichmäßig sind. Alternativ sind die Säulen 303 nicht gleichmäßig voneinander beabstandet, wie in 10B zu sehen, wo die Säulen 303 in der Mitte der Zwischenschicht 302 weiter voneinander beabstandet sind als die Säulen 303 an den Rändern. Der Abstand der Säulen 303 voneinander richtet sich nach den Abmessungen der Wärmequelle 99 und dem Fluidströmungswiderstand sowie nach der Größe und den Stellen der Heißpunkte und der Wärmestromdichte von der Wärmequelle 99. Beispielsweise verursacht eine geringere Dichte der Säulen 303 einen geringeren Strömungswiderstand, bietet aber auch eine kleinere Oberfläche für den Wärmetransfer von der Zwischenschicht 302 zum Fluid. Es ist zu beachten, dass die Konfiguration der nicht-periodisch voneinander beabstandeten Säulen 303, die in der Ausführungsform von 10B gezeigt ist, nicht darauf beschränkt ist und dass die Säulen 303 je nach den Bedingungen der Wärmequelle sowie nach der gewünschten Arbeitsweise des Kühlsystems 30 (2A) auch in jeder anderen Anordnung konfiguriert sein können.
Des Weiteren sind die Säulen 303 kreisrunde Zylinder, wie in 10A gezeigt, damit das Fluid mit dem geringsten Strömungswiderstand von den Einlassöffnungen zu den Auslassöff nungen strömen kann. Jedoch haben die Säulen 303 alternativ Formen wie beispielsweise quadratisch 303B (10B), rautenförmig, elliptisch 303C (10C), sechseckig 303D (10D) oder jede andere Form. Außerdem weist die Zwischenschicht 302 alternativ eine Kombination unterschiedlich geformter Säulen entlang der Bodenfläche 301 auf.
Beispielsweise enthält die Zwischenschicht 302, wie in 10E gezeigt, verschiedene Gruppen von rechteckigen Rippen 303E, die in ihrer jeweiligen Gruppe radial zueinander angeordnet sind. Des Weiteren enthält die Zwischenschicht 302 mehrere Säulen 303B, die zwischen den Gruppen von rechteckigen Rippen 303E angeordnet sind. Bei einer Ausführungsform befinden sich die offenen kreisförmigen Bereiche innerhalb der radial angeordneten rechteckigen Rippen 303E unter jeder Einlassöffnung, wobei die Rippen 303E dabei helfen, die Strömung zu den Auslassöffnungen zu lenken. Somit unterstützen die radial verteilten Rippen 303E die Minimierung des Druckabfalls, während sie gleichzeitig eine nahezu gleichmäßige Verteilung des Kühlfluids über die gesamte Zwischenschicht 302 gestatten. Je nach der Größe und der relativen Positionierung der Einlass- und Auslassöffnungen gibt es zahlreiche mögliche Konfigurationen der Säulen und/oder Rippen, und die Auswahl der optimalen Anordnung der Zwischenschicht 302 richtet sich danach, ob das Fluid in einphasigem oder zweiphasigem Zustand strömt. Der Fachmann erkennt, dass die verschiedenen Konfigurationen der Stifte 303 in jeder der Ausführungsformen und ihren Variationen, die im vorliegenden Text besprochen werden, realisiert werden können.
Der Wärmetauscher 100 der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise geringfügig breiter als die Wärmequelle 99. In dem Fall, wo der Wärmetauscher 100 größer als die Wärmequelle 99 ist, besteht ein Überhangmaß. Das Überhangmaß ist die weiteste Entfernung zwischen einer Außenwand der Wärmequelle 99 und der inneren Fluidkanalwand des Wärmetauschers 100, wie beispielsweise der Innenwand der Einlassanschlussöffnung 316 (12A). In der bevorzugten Ausführungsform liegt das Überhangmaß im Bereich von 0 bis 5 Millimetern bei einphasigem Fluid und von 0 bis 15 Millimetern bei zweiphasigem Fluid. Des Weiteren hat die Zwischenschicht 302 der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,3 bis 0,7 Millimetern bei einphasigem Fluid und von 0,3 bis 1,0 Millimetern bei zweiphasigem Fluid.
Bei der Ausführungsform des Wärmetauschers, wo eine mikroporöse Struktur 301 auf der Zwischenschicht 302 angeordnet ist, hat die mikroporöse Struktur 301 eine durchschnittliche Porengröße im Bereich von 10 bis 200 Mikron bei einphasigem wie auch zweiphasigem Fluid. Des Weiteren hat die mikroporöse Struktur 301 einen Porenanteil im Bereich von 50 bis 80 Prozent bei einphasigem wie auch zweiphasigem Fluid. Die Höhe der mikroporösen Struktur 301 liegt im Bereich von 0,25 bis 2,00 Millimetern bei einphasigem wie auch zweiphasigem Fluid.
Bei der Ausführungsform, die Säulen und/oder Mikrokanäle entlang der Zwischenschicht 302 verwendet, hat die Zwischenschicht 302 der vorliegenden Erfindung eine Dicke im Bereich von 0,3 bis 0,7 Millimetern bei einphasigem Fluid und von 0,3 bis 1,0 Millimetern bei zweiphasigem Fluid. Des Weiteren liegt die Fläche wenigstens einer Säule im Bereich von (10 Mikron)² bis (100 Mikron)² bei einphasigem wie auch zweiphasigem Fluid. Des Weiteren liegt die Fläche des Trennungsabstandes zwischen wenigstens zwei Säulen und/oder Mikrokanälen im Bereich von 10 Mikron bis 50 Mikron bei einphasigem wie auch zweiphasigem Fluid. Die Breite der Mikrokanäle liegt im Bereich von 10 bis 100 Mikron bei einphasigem wie auch zweiphasigem Fluid. Die Höhe der Mikrokanäle und/oder Säulen liegt im Bereich von 50 bis 800 Mikron bei einphasigem Fluid und von 50 Mikron bis 2 Millimetern bei zweiphasigem Fluid. Dem Fachmann ist klar, dass alternativ auch andere Abmessungen in Betracht kommen.
3B veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Zwischenschicht 102 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 3B gezeigt, enthält die Zwischenschicht 102 eine Bodenfläche 103 und mehrere Mikrokanalwände 110, wobei der Bereich zwischen den Mikrokanalwänden 110 Fluid entlang einem Fluidströmungspfad leitet oder lenkt. Die Bodenfläche 103 ist flach und besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit, um einen ausreichenden Wärmetransfer von der Wärmequelle 99 zu ermöglichen. Alternativ enthält die Bodenfläche 103 Mulden und/oder Erhöhungen, die dafür vorgesehen sind, Fluid an einer bestimmten Stelle zu sammeln bzw. von einer bestimmten Stelle abzustoßen. Die Mikrokanalwände 110 sind parallel zueinander angeordnet, wie in 3B gezeigt, wobei Fluid zwischen den Mikrokanalwänden 110 entlang eines Fluidpfades fließt.
Der Fachmann erkennt, dass die Mikrokanalwände 110 je nach den oben besprochenen Faktoren alternativ in jeder anderen zweckmäßigen Weise konfiguriert sind. Beispielsweise hat die Zwischenschicht 102 alternativ Rinnen zwischen Abschnitten der Mikrokanalwände 110, wie in 8C gezeigt. Des Weiteren haben die Mikrokanalwände 110 Abmessungen, die den Druckabfall oder unterschied in der Zwischenschicht 102 minimieren. Es versteht sich außerdem, dass beliebige weitere Strukturen außer den Mikrokanalwänden 110 ebenso in Betracht kommen, einschließlich beispielsweise aufgerauter Oberflächen und einer mikroporösen Struktur, wie beispielsweise Sintermetall und Siliciumschaum. Es werden jedoch zur beispielhaften Veranschaulichung die in 3B gezeigten parallelen Mikrokanalwände 110 zur Beschreibung der Zwischenschicht 102 in der vorliegenden Erfindung verwendet. Alternativ sind die Mikrokanalwände 110 nicht parallel zueinander angeordnet.
Die Mikrokanalwände 110 gestatten einen Wärmetausch des Fluids entlang der ausgewählten Heißpunktstellen der Heißpunkt-Grenzflächenregion, um die Wärmequelle 99 an dieser Stelle zu kühlen. Die Mikrokanalwände 110 haben eine Breite im Bereich von 10 bis 100 Mikron und eine Höhe im Bereich von 50 Mikron bis 2 Millimetern, je nach der Leistung der Wärmequelle 99. Die Mikrokanalwände 110 haben eine Länge im Bereich von 100 Mikron bis mehreren Zentimetern, je nach der Größe der Wärmequelle sowie der Größe der Heißpunkte und der Wärmestromdichte von der Wärmequelle. Alternativ kommen auch beliebige weitere Mikrokanalwandabmessungen in Betracht. Die Mikrokanalwände 110 sind je nach der Leistung der Wärmequelle 99 um eine Entfernung im Bereich von 50 bis 500 Mikron voneinander beabstandet, obgleich auch ein beliebiger anderer Beabstandungsbereich in Betracht kommt.
Wenden wir uns wieder der Baugruppe von 3B zu. Die Oberseite der Verteilerschicht 106 ist weggeschnitten, um die Kanäle 116, 122 und die Finger 118, 120 innerhalb des Körpers der Verteilerschicht 106 zu veranschaulichen. Die Stellen in der Wärmequelle 99, die mehr Wärme erzeugen, werden hiermit als Heißpunkte bezeichnet, während die Stellen in der Wärmequelle 99, die weniger Wärme erzeugen, hiermit als Warmpunkte bezeichnet werden. Wie in 3B gezeigt, ist die Wärmequelle 99 mit einer Heißpunktregion, und zwar an Stelle A, und einer Warmpunktregion, und zwar Stelle B, dargestellt. Die Bereiche der Zwischenschicht 102, die gegen die Heiß- und Warmpunkte stoßen, werden dementsprechend als Heißpunkt-Grenzflächenregion bezeichnet. Wie in 3B gezeigt, enthält die Zwischenschicht 102 die Heißpunkt-Grenzflächenregion A, die sich oberhalb der Stelle A befindet, und die Heißpunkt-Grenzflächenregion B, die sich oberhalb der Stelle B befindet.
Wie in den 3A und 3B gezeigt, strömt Fluid zunächst durch eine Einlassanschlussöffnung 108 in den Wärmetauscher 100. Das Fluid fließt dann zu einem Einlasskanal 116. Alter nativ enthält der Wärmetauscher 100 mehr als einen einzigen Einlasskanal 116. Wie in den 3A und 3B gezeigt, zweigt Fluid, das von der Einlassanschlussöffnung 108 kommend den Einlasskanal 116 entlang strömt, zunächst zum Finger 118D ab. Des Weiteren fließt das Fluid, das den übrigen Teil des Einlasskanals 116 entlang strömt, zu den einzelnen Fingern 118B und 118C, und so weiter.
In 3B wird der Heißpunkt-Grenzflächenregion A Fluid zugeführt, indem es zum Finger 118A fließt, wobei Fluid durch den Finger 118A hinab zur Zwischenschicht 104 fließt. Das Fluid fließt dann durch die Einlassröhre 105A, die sich unterhalb des Fingers 118A befindet, zur Zwischenschicht 102, wobei das Fluid einen Wärmetausch mit der Wärmequelle 99 vollzieht. Wie beschrieben, können die Mikrokanäle in der Zwischenschicht 102 in jeder beliebigen Richtung angeordnet sein. So sind die Mikrokanäle 111 in der Grenzflächenregion A senkrecht zu den übrigen Mikrokanälen 110 in der Zwischenschicht 102 angeordnet. So fließt das Fluid von der Röhre 105A entlang der Mikrokanäle 111, wie in 3B gezeigt, obgleich das Fluid in anderen Richtungen entlang der übrigen Bereiche der Zwischenschicht 102 fließt. Die erwärmte Flüssigkeit fließt dann aufwärts durch die Röhre 105B zum Auslassfinger 120A.
Gleichermaßen fließt Fluid in Z-Richtung abwärts durch die Finger 118E und 118F zur Zwischenschicht 104. Das Fluid fließt dann durch die Einlassröhre 105C in Z-Richtung abwärts zur Zwischenschicht 102. Das erwärmte Fluid fließt dann in Z-Richtung aufwärts von der Zwischenschicht 102 durch die Auslassröhre 105D zu den Auslassfingern 120E und 120F. Der Wärmetauscher 100 führt das erwärmte Fluid in der Verteilerschicht 106 über die Auslassfinger 120 ab, wobei die Auslassfinger 120 mit dem Auslasskanal 122 in strömungsmäßiger Verbindung stehen. Der Auslasskanal 122 ermöglicht es dem Fluid, den Wärmetauscher durch eine Auslassanschlussöffnung 109 zu verlassen.
Bei einer Ausführungsform sind die Zufluss- und Abflussröhren 105 auch direkt oder fast direkt über den entsprechenden Heißpunkt-Grenzflächenregionen angeordnet, um Fluid direkt den Heißpunkten in der Wärmequelle 99 zuzuführen. Des Weiteren ist jeder Auslassfinger 120 so konfiguriert, dass er einem jeweiligen Einlassfinger 118 für eine bestimmte Heißpunkt-Grenzflächenregion am nächsten angeordnet ist, um den Druckabfall zwischen beiden zu minimieren. Somit strömt Fluid über den Einlassfinger 118A zur Zwischenschicht 102 und strömt über die kürzeste Distanz entlang der Bodenfläche 103 der Zwischenschicht 102, bevor es die Zwischenschicht 102 zum Auslassfinger 120A verlässt. Es ist zu erkennen, dass die Distanz, die das Fluid entlang der Bodenfläche 103 strömt, ausreicht, um genügend Wärme, die von der Wärmequelle 99 erzeugt wurde, abzutransportieren, ohne einen unnötig großen Druckabfall zu verursachen. Des Weiteren sind, wie in den 3A und 3B gezeigt, die Ecken an den Fingern 118, 120 mit einem Radius versehen, um den Druckabfall des Fluids zu verringern, das an den Fingern 118 entlang strömt.
Dem Fachmann ist klar, dass die Konfiguration der Verteilerschicht 106, die in den 3A und 3B gezeigt ist, nur eine beispielhafte Veranschaulichung ist. Die Konfiguration der Kanäle 116 und der Finger 118 in der Verteilerschicht 106 hängt von einer Reihe von Faktoren ab, einschließlich beispielsweise der Stellen der Heißpunkt-Grenzflächenregionen, die Strömungsmenge zu den und von den Heißpunkt-Grenzflächenregionen sowie der Wärmemenge, die von der Wärmequelle in den Heißpunkt-Grenzflächenregionen erzeugt wird. Eine mögliche Konfiguration der Verteilerschicht 106 enthält zum Beispiel eine ineinandergreifende Anordnung paralleler Einlass- und Auslassfinger, die im Wechsel über die Breite der Verteilerschicht 106 angeordnet sind, wie in den 4–7A gezeigt ist und weiter unten besprochen wird. Ungeachtet dessen kommt auch jede sonstige Konfiguration der Kanäle 116 und der Finger 118 in Betracht.
4 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer alternativen Verteilerschicht 406 gemäß dem Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung. Die Verteilerschicht 406 in 4 enthält mehrere verschachtelte oder ineinandergreifende parallele Fluidfinger 411, 412, die es einem einphasigen und/oder zweiphasigen Fluid gestatten, zur Zwischenschicht 406 zu zirkulieren, ohne dass es in dem Wärmetauscher 400 und in dem System 30 (2A) zu einem wesentlichen Druckabfall kommt. Wie in 8 gezeigt, sind die Einlassfinger 411 im Wechsel mit den Auslassfingern 412 angeordnet. Der Fachmann zieht aber auch in Betracht, dass eine bestimmte Anzahl von Einlass- oder Auslassfingern nebeneinander angeordnet sein kann, so dass diese Anordnung nicht auf die in 4 gezeigte wechselweise Konfiguration beschränkt ist. Des Weiteren sind die Finger alternativ so konfiguriert, dass ein paralleler Finger von einem anderen parallelen Finger abzweigt oder mit einem anderen parallelen Finger verbunden ist. Es ist so möglich, viel mehr Einlassfinger als Auslassfinger zu haben, oder umgekehrt.
Die Einlassfinger oder -passagen 411 führen das Fluid, das in den Wärmetauscher eintritt, zu der Zwischenschicht 402, und die Auslassfinger oder -passagen 412 führen das Fluid aus der Zwischenschicht 402 ab, woraufhin es den Wärmetauscher 400 verlässt. Die gezeigte Konfiguration der Verteilerschicht 406 ermöglicht es dem Fluid, in die Zwischenschicht 402 einzutreten und über eine sehr kurze Distanz in der Zwischenschicht 402 zu strömen, bevor es in die Auslasspassage 412 eintritt. Die deutliche Verkürzung der Strecke, die das Fluid entlang der Zwischenschicht 402 fließt, verringert deutlich den Druckabfall in dem Wärmetauscher 400 und in dem System 30 (2A).
Wie in den 4–5 gezeigt, enthält die alternative Verteilerschicht 406 eine Passage 414, die mit zwei Einlasspassagen 411 in strömungsmäßiger Verbindung steht und ihnen Fluid zuführt. Wie in den 8-9 gezeigt, enthält die Verteilerschicht 406 drei Auslasspassagen 412, die mit der Passage 418 in strömungsmäßiger Verbindung stehen. Die Passagen 414 in der Verteilerschicht 406 haben eine ebene Bodenfläche, die das Fluid zu den Fingern 411, 412 leitet. Alternativ hat die Passage 414 ein leichtes Gefälle, das dabei hilft, das Fluid zu ausgewählten Fluidpassagen 411 zu leiten. Alternativ enthält die Einlasspassage 414 eine oder mehrere Öffnungen in ihrer Bodenfläche, so dass ein Teil des Fluids abwärts in die Zwischenschicht 402 strömen kann. Gleichermaßen hat die Passage 418 in der Verteilerschicht eine ebene Bodenfläche, auf der das Fluid entlang strömt und zur Anschlussöffnung 408 geleitet wird. Alternativ hat die Passage 418 ein leichtes Gefälle, das dabei hilft, das Fluid zu ausgewählten Auslassanschlussöffnungen 408 zu leiten. Des Weiteren haben die Passagen 414, 418 eine Breite von etwa 2 Millimetern, obgleich alternativ auch beliebige andere Breiten in Betracht kommen.
Die Passagen 414, 418 stehen mit Anschlussöffnungen 408, 409 in strömungsmäßiger Verbindung, wobei die Anschlussöffnungen mit den Fluidleitungen 38 in dem System 30 (2A) verbunden sind. Die Verteilerschicht 406 enthält horizontal ausgerichtete Fluidanschlussöffnungen 408, 409. Alternativ enthält die Verteilerschicht 406 vertikal und/oder diagonal ausgerichtete Fluidanschlussöffnungen 408, 409, wie weiter unten besprochen, obgleich dies in den 4-7 nicht gezeigt ist. Alternativ enthält die Verteilerschicht 406 keine Passage 414. So wird Fluid von den Anschlussöffnungen 408 direkt zu den Fingern 411 geführt. Auch hier enthält die Verteilerschicht 411 alternativ keine Passage 418, wodurch Fluid in den Fingern 412 direkt durch die Anschlussöffnungen 408 aus dem Wärmetauscher 400 herausfließt. Es ist zu erkennen, dass, obgleich zwei Anschlussöffnungen 408 in strömungsmäßiger Ver bindung mit den Passagen 414, 418 dargestellt sind, alternativ auch jede andere Zahl von Anschlussöffnungen verwendet werden kann.
Die Einlasspassagen 411 haben Abmessungen, die es dem Fluid gestatten, zur Zwischenschicht zu fließen, ohne dass entlang den Passagen 411 und im System 30 (2A) ein großer Druckabfall entsteht. Die Einlasspassagen 411 haben eine Breite im Bereich von 0,25 bis 5,00 Millimetern, obgleich alternativ auch beliebige andere Breiten in Betracht kommen.
Außerdem haben die Einlasspassagen 411 eine Länge im Bereich von 0,5 Millimetern bis zum Dreifachen der Länge der Wärmequelle. Alternativ kommen auch andere Längen in Betracht. Des Weiteren, wie oben angesprochen, erstrecken sich die Einlasspassagen 411 bis hinab zu den Mikrokanälen 410 oder bis kurz über den Mikrokanälen 410, dergestalt, dass das Fluid direkt zu den Mikrokanälen 410 geleitet wird. Die Einlasspassagen 411 haben eine Höhe im Bereich von 0,25-5,00 Millimetern. Der Fachmann erkennt, dass sich die Passagen 411 nicht bis hinab zu den Mikrokanälen 410 erstrecken und dass alternativ auch jede andere Höhe in Betracht kommt. Der Fachmann erkennt, dass, obgleich die Einlasspassagen 411 die gleichen Abmessungen haben, ebenso in Betracht kommt, dass die Einlasspassagen 411 alternativ verschiedene Abmessungen haben. Des Weiteren haben die Einlasspassagen 411 alternativ variierende Breiten, Querschnittsabmessungen und/oder Abstände zwischen benachbarten Fingern. Insbesondere weist die Passage 411 entlang ihrer Länge Bereiche auf, die eine größere Breite oder Tiefe haben, sowie Bereiche, die schmalere Breiten und Tiefen haben. Die variierenden Abmessungen gestatten es, dank breiteren Abschnitten mehr Fluid zu zuvor festgelegten Heißpunkt-Grenzflächenregionen in der Zwischenschicht 402 zu leiten, während der Fluidstrom zu Warmpunkt-Grenzflächenregionen dank schmaleren Abschnitten verringert wird.
Des Weiteren haben die Auslasspassagen 412 Abmessungen, die es dem Fluid gestatten, zur Zwischenschicht zu fließen, ohne dass entlang den Passagen 412 und im System 30 (2A) ein großer Druckabfall entsteht. Die Auslasspassagen 412 haben eine Breite im Bereich von 0,25 bis 5,00 Millimetern, obgleich alternativ auch beliebige andere Breiten in Betracht kommen. Außerdem haben die Auslasspassagen 412 eine Länge im Bereich von 0,5 Millimetern bis zum Dreifachen der Länge der Wärmequelle. Des Weiteren erstrecken sich die Auslasspassagen 412 bis hinab zur Höhe der Mikrokanäle 410, dergestalt, dass das Fluid problemlos in den Auslasspassagen 412 aufwärts strömt, nachdem es horizontal in den Mikroka nälen 410 entlang geströmt ist. Die Einlasspassagen 411 haben eine Höhe im Bereich von 0,25-5,00 Millimetern, obgleich alternativ auch jede andere Höhe in Betracht kommt. Der Fachmann erkennt, dass, obgleich die Auslasspassagen 412 die gleichen Abmessungen haben, ebenso in Betracht kommt, dass die Auslasspassagen 412 alternativ verschiedene Abmessungen haben. Auch hier hat die Auslasspassage 412 alternativ variierende Breiten, Querschnittsabmessungen und/oder Abstände zwischen benachbarten Fingern.
Die Einlass- und Auslasspassagen 411, 412 sind segmentiert und voneinander unterschieden, wie in den 4 und 5 gezeigt, so dass sich Fluid nicht zwischen den Passagen miteinander vermischt. Insbesondere, wie in 8 gezeigt, befinden sich zwei Auslasspassagen entlang den außenseitigen Rändern der Verteilerschicht 406, und eine Auslasspassage 412 befindet sich in der Mitte der Verteilerschicht 406. Des Weiteren sind zwei Einlasspassagen 411 auf benachbarten Seiten der mittleren Auslasspassage 412 ausgebildet. Diese spezielle Konfiguration bewirkt, dass Fluid, das in die Zwischenschicht 402 einströmt, über eine kurze Strecke in der Zwischenschicht 402 fließt, bevor es über die Auslasspassage 412 aus der Zwischenschicht 402 herausfließt. Der Fachmann erkennt jedoch, dass die Einlasspassagen und Auslasspassagen auch in jeder anderen zweckmäßigen Konfiguration angeordnet sein können und dass diese Anordnung keineswegs auf die in der vorliegenden Offenbarung gezeigte und beschriebene Konfiguration beschränkt ist. Die Zahl der Einlass- und Auslassfinger 411, 412 in der Verteilerschicht 406 ist mehr als drei, aber weniger als zehn je Zentimeter über die Verteilerschicht 406 hinweg. Der Fachmann erkennt außerdem, dass auch jede andere Anzahl von Einlasspassagen und Auslasspassagen verwendet werden kann und dass die Anzahl nicht auf die in der vorliegenden Offenbarung gezeigte und beschriebene Anzahl beschränkt ist.
Die Verteilerschicht 406 ist mit der (nicht gezeigten) Zwischenschicht verbunden, wobei die (nicht gezeigte) Zwischenschicht mit der Zwischenschicht 402 zu einem Dreiebenen-Wärmetauscher 400 verbunden ist. Die im vorliegenden Text besprochene Zwischenschicht wurde oben in der in 3B gezeigten Ausführungsform besprochen. Die Verteilerschicht 406 ist alternativ mit der Zwischenschicht 402 verbunden und über der Zwischenschicht 402 angeordnet, so dass ein Zweiebenen-Wärmetauscher 400 entsteht, wie in 7A gezeigt. 6A–6C veranschaulichen schematische Querschnittsansichten der alternativen Verteilerschicht 406, die in dem Zweiebenen-Wärmetauscher mit der Zwischenschicht 402 verbunden ist. Insbesondere veranschaulicht 6A den Querschnitt durch den Wärmetauscher 400 entlang der Linie A-A von 5; 6B veranschaulicht den Querschnitt durch den Wärmetauscher 400 entlang der Linie B-B; und 6C veranschaulicht den Querschnitt durch den Wärmetauscher 400 entlang der Linie C-C von 5. Wie oben angesprochen, erstrecken sich die Einlass- und Auslasspassagen 411, 412 von der Oberseite zur Bodenfläche der Verteilerschicht 406. Wenn die Verteilerschicht 406 und die Zwischenschicht 402 miteinander verbunden sind, so befinden sich die Einlass- und Auslasspassagen 411, 412 in Höhe oder ein wenig über der Höhe der Mikrokanäle 410 in der Zwischenschicht 402. Diese Konfiguration bewirkt, dass das Fluid von den Einlasspassagen 411 problemlos von den Passagen 411 durch die Mikrokanäle 410 fließt. Des Weiteren bewirkt diese Konfiguration, dass Fluid, das durch die Mikrokanäle fließt, problemlos aufwärts durch die Auslasspassagen 412 fließt, nachdem es durch die Mikrokanäle 410 geströmt ist.
Bei der alternativen Ausführungsform ist die Zwischenschicht 104 (3B) zwischen der Verteilerschicht 406 und der Zwischenschicht 402 angeordnet, obgleich dies in den Figuren nicht gezeigt ist. Die Zwischenschicht 104 (3B) leitet den Fluidstrom zu vorgegebenen Heißpunkt-Grenzflächenregionen in der Zwischenschicht 402. Des Weiteren kann die Zwischenschicht 104 (3B) dafür verwendet werden, einen gleichmäßigen Fluidstrom zu erzeugen, der in die Zwischenschicht 402 eintritt. Des Weiteren wird die Zwischenschicht 104 dafür verwendet, Fluid zu Heißpunkt-Grenzflächenregionen in der Zwischenschicht 402 zu leiten, um Heißpunkte ausreichend zu kühlen und eine Temperaturgleichmäßigkeit in der Wärmequelle 99 zu erzeugen. Die Einlass- und Auslasspassagen 411, 412 sind nahe oder über Heißpunkten in der Wärmequelle 99 angeordnet, um die Heißpunkte ausreichend zu kühlen, obgleich das nicht notwendig ist.
7A veranschaulicht eine auseinandergezogene Ansicht der alternativen Verteilerschicht 406 mit der alternativen Zwischenschicht 102 der vorliegenden Erfindung. Die Zwischenschicht 102 enthält durchgängige Anordnungen von Mikrokanalwänden 110, wie in 3B gezeigt. Im allgemeinen Betrieb, ähnlich wie bei der in 3B gezeigten Verteilerschicht 106, strömt Fluid an einer Fluidanschlussöffnung 408 in die Verteilerschicht 406 ein und fließt durch die Passage 414 in Richtung der Fluidfinger oder Passagen 411. Das Fluid strömt in die Öffnung der Einlassfinger 411 und fließt in X-Richtung an en Fingern 411 entlang, wie durch die Pfeile angedeutet. Des Weiteren fließt das Fluid in Z-Richtung abwärts zur Zwischenschicht 402, die unter der Verteilerschicht 406 angeordnet ist. Wie in 7A gezeigt, strömt das Fluid in der Zwischenschicht 402 in X- und Y-Richtung über die Bodenfläche der Zwischenschicht 402 und vollzieht einen Wärmetausch mit der Wärmequelle 99. Das erwärmte Fluid verlässt die Zwischenschicht 402, indem es über die Auslassfinger 412 in Z-Richtung aufwärts fließt, wobei die Auslassfinger 412 das erwärmte Fluid in X-Richtung zur Passage 418 in der Verteilerschicht 406 leiten. Das Fluid fließt dann entlang der Passage 418 und verlässt den Wärmetauscher, indem es durch die Anschlussöffnung 409 herausfließt.
Die Zwischenschicht, wie in 7A gezeigt, enthält eine Reihe von Rinnen 416, die zwischen Gruppen von Mikrokanälen 410 angeordnet sind und dabei helfen, Fluid zu und von den Passagen 411, 412 zu leiten. Insbesondere befinden sich die Rinnen 416A direkt unter den Einlasspassagen 411 der alternativen Verteilerschicht 406, wodurch Fluid, das über die Einlasspassagen 411 in die Zwischenschicht 402 einströmt, direkt zu den Mikrokanälen neben der Rinne 416A geleitet wird. Die Rinnen 416A ermöglichen es somit, dass Fluid direkt von den Einlasspassagen 411 in bestimmte zugewiesene Strömungspfade geleitet werden kann, wie in 5 gezeigt. Gleichermaßen enthält die Zwischenschicht 402 Rinnen 416B, die in Z-Richtung direkt unter den Auslasspassagen 412 angeordnet sind. Somit wird Fluid, das horizontal in den Mikrokanälen 410 in Richtung der Auslasspassagen fließt, horizontal zu den Rinnen 416B und vertikal zu der Auslasspassage 412 über den Rinnen 416B geleitet.
6A veranschaulicht den Querschnitt durch den Wärmetauscher 400 mit der Verteilerschicht 406 und der Zwischenschicht 402. Insbesondere zeigt 6A die Einlasspassagen 411 in Verschachtelung mit den Auslasspassagen 412, wodurch Fluid in den Einlasspassagen 411 abwärts und in den Auslasspassagen 412 aufwärts strömt. Des Weiteren, wie in 6A gezeigt, strömt das Fluid horizontal durch die Mikrokanalwände 410, die zwischen den Einlasspassagen und den Auslasspassagen angeordnet und durch die Rinnen 416A, 416B voneinander getrennt sind. Alternativ sind die Mikrokanalwände durchgängig (3B) und sind nicht durch die Mikrokanäle 410 voneinander getrennt. Wie in 6A gezeigt, haben die Einlass- und/oder Auslasskanäle 411, 412 an ihren Enden an der Stelle nahe den Rinnen 416 eine gekrümmte Fläche 420. Die gekrümmte Fläche 420 leitet Fluid, das die Passage 411 abwärts fließt, zu den Mikrokanälen 410, die sich neben der Passage 411 befinden. Somit wird Fluid, das in die Zwischenschicht 102 eintritt, leichter zu den Mikrokanälen 410 geleitet, anstatt direkt zu der Rinne 416A zu fließen. Gleichermaßen hilft die gekrümmte Fläche 420 in den Auslasspassagen 412 dabei, Fluid von den Mikrokanälen 410 zu der äußeren Passage 412 zu leiten.
Bei einer alternativen Ausführungsform, wie in 7B gezeigt, enthält die Zwischenschicht 402' die Einlasspassagen 411' und die Auslasspassagen 412', die oben in Verbindung mit der Verteilerschicht 406 besprochen wurden (8-9). Bei der alternativen Ausführungsform wird das Fluid direkt der Zwischenschicht 402' von der Anschlussöffnung 408' zugeführt. Das Fluid fließt in der Passage 414' entlang zu den Einlasspassagen 411'. Das Fluid strömt dann seitlich entlang den Gruppen von Mikrokanälen 410', vollzieht einen Wärmetausch mit der (nicht gezeigten) Wärmequelle und fließt zu den Auslasspassagen 412'. Das Fluid fließt dann entlang den Auslasspassagen 412' zur Passage 418', woraufhin das Fluid die Zwischenschicht 402' über die Anschlussöffnung 409' verlässt. Die Anschlussöffnungen 408', 409' sind in der Zwischenschicht 402' ausgebildet und sind alternativ in der Verteilerschicht 406 ausgebildet (7A).
Der Fachmann erkennt, dass, obgleich alle Wärmetauscher in der vorliegenden Anmeldung so dargestellt sind, dass sie während des Betriebes horizontal ausgerichtet sind, der Wärmetauscher alternativ auch in vertikaler Ausrichtung arbeitet. Für den Betrieb in vertikaler Ausrichtung sind die Wärmetauscher alternativ so konfiguriert, dass jede Einlasspassage über einer benachbarten Auslasspassage angeordnet ist. Somit strömt Fluid durch die Einlasspassagen in die Zwischenschicht und wird natürlich zu einer Auslasspassage geleitet. Es ist außerdem zu erkennen, dass alternativ auch jede andere Konfiguration der Verteilerschicht und der Zwischenschicht verwendet werden kann, um dem Wärmetauscher einen Betrieb in vertikaler Ausrichtung zu gestatten.
8A–8C veranschaulichen schematische Draufsichten auf eine weitere alternative Ausführungsform des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung. Insbesondere veranschaulicht 8A eine schematische Draufsicht auf eine alternative Verteilerschicht 206 gemäß der vorliegenden Erfindung. 8B und 8C veranschaulichen eine Draufsicht auf eine Zwischenschicht 204 und eine Zwischenschicht 202. Des Weiteren veranschaulicht 9A einen Dreiebenen-Wärmetauscher, der die alternative Verteilerschicht 206 verwendet, während 9B einen Zweiebenen-Wärmetauscher veranschaulicht, der die alternative Verteilerschicht 206 verwendet.
Wie in den 8A und 9A gezeigt, enthält die Verteilerschicht 206 mehrere Fluidanschlussöffnungen 208, die horizontal und vertikal angeordnet sind. Alternativ sind die Fluidanschlussöffnungen 208 diagonal oder einer beliebigen anderen Richtung relativ zur Verteilerschicht 206 angeordnet. Die Fluidanschlussöffnungen 208 sind an ausgewählten Stellen in der Verteilerschicht 206 dergestalt angeordnet, dass Fluid effektiv zu den zuvor festgelegten Heißpunkt-Grenzflächenregionen in dem Wärmetauscher 200 geleitet wird. Die mehreren Fluidanschlussöffnungen 208 bieten einen signifikanten Vorteil, weil Fluid direkt von einer Fluidanschlussöffnung zu einer bestimmten Heißpunkt-Grenzflächenregion geleitet werden kann, ohne wesentlich den Druckabfall im Wärmetauscher 200 zu verstärken. Überdies sind die Fluidanschlussöffnungen 208 ebenfalls in der Verteilerschicht 206 angeordnet, damit Fluid in den Heißpunkt-Grenzflächenregionen die kürzeste Strecke zu den Austrittsanschlussöffnungen 208 fließen kann, so dass das Fluid eine Temperaturgleichmäßigkeit erreicht, während gleichzeitig der Druckabfall zwischen den Einlass- und Auslassanschlussöffnungen 208 so gering wie möglich gehalten wird. Des Weiteren unterstützt die Verwendung der Verteilerschicht 206 die Stabilisierung einer Zweiphasenströmung innerhalb des Wärmetauschers 200, während ein gleichmäßig verteilter Fluss in der Zwischenschicht 202 aufrecht erhalten wird. Es ist zu beachten, dass alternativ mehr als eine einzige Verteilerschicht 206 in dem Wärmetauscher 200 enthalten ist, wobei eine Verteilerschicht 206 das Fluid in den Wärmetauscher 200 hinein und aus dem Wärmetauscher 200 heraus leitet und eine andere (nicht gezeigte) Verteilerschicht die Rate der Fluidzirkulation zum Wärmetauscher 200 steuert. Alternativ zirkulieren alle der mehreren Verteilerschichten 206 Fluid zu ausgewählten entsprechenden Heißpunkt-Grenzflächenregionen in der Zwischenschicht 202.
Die alternative Verteilerschicht 206 hat seitliche Abmessungen, die den Abmessungen der Zwischenschicht 202 weitgehend gleichen. Außerdem hat die Verteilerschicht 206 die gleichen Abmessungen wie die Wärmequelle 99. Alternativ ist die Verteilerschicht 206 größer als die Wärmequelle 99. Die vertikalen Abmessungen der Verteilerschicht 206 lieben im Bereich von 0,1 bis 10 Millimetern. Des Weiteren liegt die Größe der Öffnungen in der Verteilerschicht 206, welche die Fluidanschlussöffnungen 208 aufnehmen, im Bereich von 1 Millimeter bis zur gesamten Breite oder Länge der Wärmequelle 99.
11 veranschaulicht eine perspektivische weggeschnittene Ansicht eines Dreiebenen-Wärmetauschers 200 mit der alternativen Verteilerschicht 206 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 11 gezeigt, ist der Wärmetauscher 200 je nach der Wärmemenge, die am Körper der Wärmequelle 99 erzeugt wird, in separate Regionen unterteilt. Die unterteilten Regionen sind durch die vertikale Zwischenschicht 204 und/oder Mikrokanalwandstrukturen 210 in der Zwischenschicht 202 voneinander getrennt. Der Fachmann erkennt jedoch, dass die in 11 gezeigte Baugruppe nicht auf die gezeigte Konfiguration beschränkt ist und nur der beispielhaften Veranschaulichung dient. Der Wärmetauscher 200 ist an eine oder mehrere Pumpen angeschlossen, wobei eine Pumpe an die Einlässe 208A angeschlossen ist und eine weitere Pumpe an den Einlass 208B angeschlossen ist.
Wie in 3 gezeigt, hat die Wärmequelle 99 einen Heißpunkt an Stelle A und einen Warmpunkt an Stelle B, wobei der Heißpunkt an Stelle A mehr Wärme erzeugt als der Warmpunkt an Stelle B. Es ist klar, dass die Wärmequelle 99 alternativ mehr als nur einen einzigen Heißpunkt bzw. Warmpunkt an einer beliebigen Stelle und zu einem beliebigen Zeitpunkt hat. Weil in dem Beispiel die Stelle A ein Heißpunkt ist und an der Stelle A mehr Wärme an die Zwischenschicht 202 über der Stelle A transferiert wird (in 11 als Heißpunkt-Grenzflächenregion A bezeichnet), wird der Heißpunkt-Grenzflächenregion A in dem Wärmetauscher 200 mehr Fluid und/oder eine höhere Rate des Flüssigkeitsstromes zugeführt, um die Stelle A ausreichend zu kühlen. Es ist klar, dass, obgleich die Heißpunkt-Grenzflächenregion B größer als die Heißpunkt-Grenzflächenregion A dargestellt ist, die Heißpunkt-Grenzflächenregionen A und B sowie beliebige andere Heißpunkt-Grenzflächenregionen in dem Wärmetauscher 200 jede sonstige Größe und/oder Anordnung relativ zueinander haben können.
Alternativ, wie in 11 gezeigt, tritt das Fluid über die Fluidanschlussöffnungen 208A in den Wärmetauscher ein und wird zur Heißpunkt-Grenzflächenregion A geleitet, indem es an der Zwischenschicht 204 entlang zu den Zuflussröhren 205A strömt. Dann fließt das Fluid in den Zuflussröhren 205A in Z-Richtung abwärts in die Heißpunkt-Grenzflächenregion A der Zwischenschicht 202. Das Fluid fließt zwischen den Mikrokanälen 210A, wodurch Wärme von der Stelle A mittels Wärmeleitung über die Zwischenschicht 202 zum Fluid transferiert wird. Das erwärmte Fluid fließt entlang der Zwischenschicht 202 in der Heißpunkt-Grenzflächenregion A zur Austrittsanschlussöffnung 209A, wo das Fluid den Wärmetauscher 200 verlässt. Der Fachmann erkennt, dass jede beliebige Anzahl von Einlassanschlussöffnungen 208 und Austrittsanschlussöffnungen 209 für eine bestimmte Heißpunkt-Grenzflächenregion oder eine Gruppe von Heißpunkt-Grenzflächenregionen verwendet werden kann. Und obgleich die Austrittsanschlussöffnung 209A nahe der Zwischenschicht 202A dargestellt ist, kann die Austrittsanschlussöffnung 209A alternativ auch an jeder anderen Stelle vertikal angeordnet sein, einschließlich beispielsweise in der Verteilerschicht 209B.
Gleichermaßen hat in dem in 11 gezeigten Beispiel die Wärmequelle 99 einen Warmpunkt an Stelle B, der weniger Wärme erzeugt als Stelle A der Wärmequelle 99. Fluid, das durch die Anschlussöffnung 208B hereinströmt, wird zu der Heißpunkt-Grenzflächenregion B geleitet, indem es an der Zwischenschicht 204B entlang zu den Zuflussröhren 205B strömt. Dann fließt das Fluid in den Zuflussröhren 205B in Z-Richtung abwärts in die Heißpunkt-Grenzflächenregion B der Zwischenschicht 202. Das Fluid fließt zwischen den Mikrokanälen 210A in X- und Y-Richtung, wodurch Wärme, die von der Wärmequelle an der Stelle B erzeugt wurde, zum Fluid transferiert wird. Das erwärmte Fluid fließt entlang der gesamten Zwischenschicht 202B in der Heißpunkt-Grenzflächenregion B über die Abflussröhren 205B in der Zwischenschicht 204 in Z-Richtung aufwärts zu den Austrittsanschlussöffnungen 209B, wo das Fluid den Wärmetauscher 200 verlässt.
Alternativ, wie in 9A gezeigt, enthält der Wärmetauscher 200 eine dampfdurchlässige Membran 214 über der Zwischenschicht 202. Die dampfdurchlässige Membran 214 steht in abdichtbarem Kontakt mit den inneren Seitenwänden des Wärmetauschers 200. In der Membran sind mehrere kleine Öffnungen ausgebildet, durch die Dampf, der entlang der Zwischenschicht 202 entsteht, dringen und zur Anschlussöffnung 209 gelangen kann. Die Membran 214 ist außerdem hydrophob, damit keine Flüssigkeit, die an der Zwischenschicht 202 entlang fließt, durch die Öffnungen der Membran 214 dringen kann. Weitere Einzelheiten der dampfdurchlässigen Membran 114 sind in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/366,128, eingereicht am 12. Februar 2003, mit dem Titel "Vapor escape microchannel heat exchanger" besprochen, die hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
12A veranschaulicht eine auseinandergezogene Ansicht eines alternativen Wärmetauschers 300 gemäß der vorliegenden Erfindung. 12B veranschaulicht eine auseinandergezogene Ansicht eines alternativen Wärmetauschers 300' gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in den 12A und 12B gezeigt, enthält der Wärmetauscher 300, 300' die Zwischenschicht 302, 302' und die damit verbundene Verteilerschicht 306, 306'. Wie oben angesprochen, ist der Wärmetauscher 300, 300' mit der (nicht gezeigten) Wärmequelle verbunden oder alternativ komplett in die Wärmequelle integriert (beispielsweise in einen Mikroprozessor eingebettet). Der Fachmann erkennt, dass die Zwischenschicht 302, 302' im Wesentlichen umschlossen ist und in 12A nur zur Veranschaulichung freiliegend gezeigt ist. Bei einer Ausführungsform enthält die Zwischenschicht 302, 302' mehrere Säulen 303, die entlang der Bodenfläche 301 angeordnet sind. Überdies haben die Säulen 303 alternativ jede beliebige Form, wie in Verbindung mit den 10A–10E besprochen, und/oder radial verteilte Rippen 303E. Auch hier hat die Zwischenschicht 302 alternativ eine beliebige andere Struktur, wie oben besprochen (beispielsweise Mikrokanäle, aufgeraute Oberflächen). Die Zwischenschicht 302 sowie die in der Schicht 302 enthaltenen Strukturen haben des Weiteren die gleichen Wärmeleiteigenschaften, wie oben besprochen. Obgleich die Zwischenschicht 302 kleiner dargestellt ist als die Verteilerschicht 306, erkennt der Fachmann, dass die Zwischenschicht 302 und die Verteilerschicht 306 auch jede andere Größe relativ zueinander und zur Wärmequelle 99 haben können. Die übrigen Strukturelemente der Zwischenschicht 302, 302' haben die gleichen Eigenschaften wie die oben beschriebenen Zwischenschichten und werden nicht mehr näher besprochen.
Allgemein minimiert der Wärmetauscher 300 den Druckabfall im Wärmetauscher mittels der Zufuhrkanäle 322 in der Verteilerschicht 306. Die Zufuhrkanäle 322 sind vertikal in der Verteilerschicht 306 angeordnet und führen der Zwischenschicht 302 vertikal Fluid zu, um den Druckabfall im Wärmetauscher zu minimieren. Wie oben angesprochen, wird ein Druckabfall im Wärmetauscher 300 erzeugt oder verstärkt, weil Fluid über eine längere Zeit und/oder Distanz entlang der Zwischenschicht in X- und Y-Richtung fließt. Die Verteilerschicht 306 minimiert den Fluss in X- und Y-Richtung, indem sie das Fluid mittels der mehreren Zufuhrkanäle 322 vertikal auf die Zwischenschicht 302 drängt. Oder anders ausgedrückt: Es werden mehrere einzelne Fluidstrahlen von oben direkt auf die Zwischenschicht 302 geleitet. Die Zufuhrkanäle 322 sind um eine optimale Distanz voneinander beabstandet, damit Fluid nur so wenig wie möglich in X- und Y-Richtung fließt und vertikal aufwärts aus der Zwischenschicht 302 herausfließt. Darum bewirkt die Kraft einzelner Fluidpfade von den optimal angeordneten Kanälen 322 auf natürliche Weise, dass das Fluid in einem aufwärts gerichteten Fluidpfad von der Zwischenschicht 302 fort fließt. Außerdem maximieren die einzelnen Kanäle 322 die Aufteilung des Fluidstromes auf die einzelnen Kanäle 322 in der Zwischenschicht 302, wodurch der Druckabfall im Wärmetauscher 300 verringert wird, während gleichzeitig die Wärmequelle 99 effektiv gekühlt wird. Des Weiteren gestattet es die Konfiguration des Wärmetauschers 300, den Wärmetauscher 300 kleiner zu bauen als andere Wärmetauscher, weil Fluid keine große Strecke in X- und Y-Richtung zu fließen braucht, um die Wärmequelle 99 effektiv zu kühlen.
Die in 12A gezeigte Verteilerschicht 306 enthält zwei einzelne Ebenen. Genauer gesagt, enthält die Verteilerschicht 306 eine Ebene 308 und eine Ebene 312. Die Ebene 308 ist mit der Zwischenschicht 302 und der Ebene 312 verbunden. Obgleich 12A veranschaulicht, dass die Ebene 312 über der Ebene 308 angeordnet ist, kommt für den Fachmann ebenso in Betracht, dass alternativ die Ebene 308 über der Ebene 312 angeordnet ist. Der Fachmann erkennt des Weiteren, dass alternativ jede beliebige Anzahl von Ebenen im erfindungsgemäßen Sinne implementiert werden kann.
Die in 12B gezeigte alternative Verteilerschicht 306' enthält drei einzelne Ebenen. Genauer gesagt, enthält die Verteilerschicht 306' eine Zirkulationsebene 304', eine Ebene 308' und eine Ebene 312'. Die Zirkulationsebene 304' ist mit der Zwischenschicht 302' und mit der Ebene 308' verbunden. Die Ebene 308' ist mit der Zirkulationsebene 304' und der Ebene 312' verbunden. Obgleich 12B veranschaulicht, dass die Ebene 312' über der Ebene 308' angeordnet ist, kommt für den Fachmann ebenso in Betracht, dass alternativ die Ebene 308' über der Ebene 312' angeordnet ist. Der Fachmann erkennt des Weiteren, dass alternativ jede beliebige Anzahl von Ebenen im erfindungsgemäßen Sinne implementiert werden kann.
12C veranschaulicht eine perspektivische Ansicht der Zirkulationsebene 304' gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Zirkulationsebene 304' enthält eine Oberseite 304A' und eine Bodenfläche 304B'. Wie in den 12B und 12C gezeigt, verlaufen durch die Zirkulationsebene 304' hindurch mehrere Öffnungen 322'. Bei einer Ausführungsform sind die Mündungen der Öffnungen 322' mit der Bodenfläche 304B' bündig. Alternativ ragen die Öffnungen 322' über die Bodenfläche 304B' hinaus, um das Fluid näher an die Zwischenschicht 302' heranzuführen. Des Weiteren verlaufen durch die Zirkulationsebene 304' hindurch mehrere Öffnungen 324', die sich von der Oberseite 304A' zur Bodenfläche 304B' erstrecken und überdies vertikal in Z-Richtung als zylindrische Vorsprünge um eine zuvor festgelegte Distanz überstehen. Dem Fachmann ist klar, dass die Öffnungen 322', 324' alternativ in einem Winkel durch die Zirkulationsebene verlaufen und nicht exakt senkrecht zu sein brauchen. Wie oben angesprochen, ist bei einer Ausführungsform die Zwischenschicht 302' (12B) mit der Bodenfläche 304B' der Zirkulationsebene 304' verbunden. Somit tritt Fluid in der Weise in die Zwischenschicht 302' ein, dass es lediglich durch die Öffnungen 322' in Z-Richtung fließt, und verlässt die Zwischenschicht 302' in der Weise, dass es lediglich durch die Öffnungen 324' in Z-Richtung fließt. Wie weiter unten besprochen wird, wird Fluid, das über die Öffnungen 322' in die Zwischenschicht 302' einströmt, von Fluid getrennt gehalten, das die Zwischenschicht 302' über die Öffnungen 324' durch die Zirkulationsebene 304' hindurch verlässt.
Wie in 12C gezeigt, hat ein Anteil der Öffnungen 324' zylindrische Elemente, die sich von der Oberseite 304A' der Zirkulationsebene 304' in Z-Richtung dergestalt erstrecken, dass Fluid durch die Öffnungen 324' direkt zu dem Korridor 326' in der Ebene 312' fließt (12F und 12G). Die zylindrischen Vorsprünge sind kreisrund, wie in 12C, haben aber alternativ auch jede andere beliebige Form. Entlang der Zwischenschicht 302' jedoch fließt das Fluid von jeder Öffnung 322' in seitlicher und vertikaler Richtung zu den benachbarten Öffnungen 324'. Bei einer Ausführungsform sind die Öffnungen 322' und die Öffnungen 324' thermisch voneinander isoliert, dergestalt, dass Wärme von dem erwärmten Fluid, das die Zwischenschicht 302' durch die Verteilerschicht 306' hindurch verlässt, sich nicht zu dem gekühlten Fluid ausbreitet, das durch die Verteilerschicht 306' hindurch zu der Zwischenschicht 302' fließt.
12D veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Ebene 308 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 12D gezeigt, enthält die Ebene 308 eine Oberseite 308A und eine Bodenfläche 308B. Die Bodenfläche 308B der Ebene 308 ist direkt mit der Zwischenschicht 302 verbunden, wie in 12A gezeigt. Die Ebene 308 enthält einen eingerückten Korridor 320, der mehrere Fluidzufuhrkanäle 322 enthält, die Fluid zur Zwischenschicht 302 leiten. Der eingerückte Korridor 320 steht in abdichtbarem Kontakt mit der Zwischenschicht 302, wobei Fluid, das die Zwischenschicht 302 verlässt, um die Kanäle 322 und zwischen den Kanälen 322 in dem Korridor 320 entlang fließt und durch die Anschlussöffnung 314 herausfließt. Es ist zu beachten, dass Fluid, da die Zwischenschicht 302 verlässt, nicht in die Zufuhrkanäle 322 hineinströmt.
12B veranschaulicht eine perspektivische Ansicht der Unterseite einer alternativen Ausführungsform der Ebene 308' gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Ebene 308' enthält eine Oberseite 308A' und eine Bodenfläche 308B', wobei die Bodenfläche der Ebene 308' direkt mit der Zirkulationsebene 304' verbunden ist (12C). Die Ebene 308' enthält eine Anschlussöffnung 314', einen Korridor 320' und mehrere Öffnungen 322', 324' in der Bodenfläche 308B'. Der Fachmann erkennt, dass die Ebene 308' eine beliebige Anzahl von Anschlussöffnungen und Korridoren enthält. Die Öffnungen 322', 324' in 12E sind so konfiguriert, dass sie zur Zirkulationsebene 304' weisen. Insbesondere, wie in 12E gezeigt, lei ten die Öffnungen 322' Fluid, das in den Korridor 320' einströmt, in die Zwischenschicht 302', während die Öffnungen 324' Fluid von der Zwischenschicht 302' zur Ebene 312' leiten. Die Öffnungen 324' erstrecken sich vollständig durch den Korridor 320' in der Ebene 308'. Die Öffnungen 324' sind individualisiert und voneinander getrennt, dergestalt, dass Fluid, das durch die Öffnungen 324' fließt, sich nicht mit dem Fluid vermischt und nicht mit dem Fluid in Kontakt kommt, das durch die Zylinder fließt, die zu den Öffnungen 324' gehören. Die Öffnungen 324' sind auch individualisiert, um zu gewährleisten, dass Fluid, das durch jede Öffnung 324' einströmt, entlang dem Fluidpfad fließt, der durch die Öffnung 324' vorgegeben ist. Bei einer Ausführungsform sind die Öffnungen 324' vertikal ausgerichtet. Somit wird das Fluid vertikal durch einen wesentlichen Abschnitt der Verteilerschicht 306' geleitet. Es ist klar, dass das gleiche auch für die Öffnungen 322' gilt, besonders in dem Fall, wo die Ebene zwischen der Zwischenschicht und der Ebene angeordnet ist.
Obgleich die Öffnungen oder Löcher 322 so dargestellt sind, dass sie die gleiche Größe haben, können die Öffnungen 322 auch verschiedene oder variierende Durchmesser entlang ihrer Länge haben. Beispielsweise können die Löcher 322, die näher an der Anschlussöffnung 314 liegen, einen kleineren Durchmesser haben, um die Fluidströmung dort hindurch zu verringern. Die kleineren Löcher 322 zwingen somit das Fluid, die Öffnungen 322 hinab zu fließen, die weiter von der Anschlussöffnung 314 entfernt liegen. Diese Variation bei den Durchmessern in den Löchern 322 ermöglicht eine gleichmäßigere Verteilung von Fluid in die Zwischenschicht 302 hinein. Der Fachmann erkennt, dass die Durchmesser der Löcher 322 alternativ so variiert werden, um eine ausreichende Kühlung bekannter Heißpunkt-Grenzflächenregionen in der Zwischenschicht 302 zu bewirken. Der Fachmann erkennt, dass die obige Besprechung auch für die Öffnungen 324' gilt, wobei die Abmessungen der Öffnungen 324' dergestalt variieren oder verschieden sind, dass ein gleichmäßiger Abfluss aus der Zwischenschicht 302 ermöglicht wird.
Bei der alternativen Ausführungsform führt die Anschlussöffnung 314 der Ebene 308 und der Zwischenschicht 302 Fluid zu. Die Anschlussöffnung 314 in 12D erstreckt sich von der Oberseite 308A durch einen Abschnitt des Körpers der Ebene 308 hindurch zum Korridor 320. Alternativ erstreckt sich die Anschlussöffnung 314 von der Seite oder dem Boden der Ebene 308 zu dem Korridor 320. Bei einer Ausführungsform ist die Anschlussöffnung 314 mit der Anschlussöffnung 315 in der Ebene 312 verbunden (12A–12B). Die Anschlussöffnung 314 führt zu dem Korridor 320, der umschlossen ist, wie in 12C gezeigt, oder der eingerückt ist, wie in 12D. Der Korridor 320 dient dazu, Fluid von der Zwischenschicht 302 zur Anschlussöffnung 314 zu leiten. Der Korridor 320 leitet alternativ Fluid von der Anschlussöffnung 314 zur Zwischenschicht 302.
Wie in den 12F und 12G gezeigt, ist die Anschlussöffnung 315 in der Ebene 312 auf die Anschlussöffnung 314 ausgerichtet und steht mit ihr in strömungsmäßiger Verbindung. Wie in 12A gezeigt, tritt Fluid über die Anschlussöffnung 316 in den Wärmetauscher 300 ein und fließt durch den Korridor 328 hinab zu den Zufuhrkanälen 322 in der Ebene 308 und schließlich zu der Zwischenschicht 302. Wie in 12B gezeigt, tritt Fluid alternativ über die Anschlussöffnung 315' in den Wärmetauscher 300' ein und fließt durch die Anschlussöffnung 314' in der Ebene 308' und schließlich zu der Zwischenschicht 302'. Die Anschlussöffnung 315 in 12F erstreckt sich von der Oberseite 312A durch den Körper der Ebene 312. Alternativ erstreckt sich die Anschlussöffnung 315 von einer Seite der Ebene 312. Alternativ enthält die Ebene 312 keine Anschlussöffnung 315, wobei das Fluid über die Anschlussöffnung 314 in den Wärmetauscher 300 einströmt (12D und 12E). Überdies enthält die Ebene 312 eine Anschlussöffnung 316, die das Fluid zum Korridor 328' leitet. Der Fachmann erkennt, dass die Ebene eine beliebige Anzahl von Anschlussöffnungen und Korridoren enthält. Der Korridor 328 leitet Fluid zu den Zufuhrkanälen 322 und schließlich zur Zwischenschicht 302.
12G veranschaulicht eine perspektivische Ansicht der Unterseite einer alternativen Ausführungsform der Ebene 312' gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Ebene 312' ist mit der Ebene 308' in 12E verbunden. Wie in 12F zu sehen, enthält die Ebene 312' einen eingerückten Korridorbereich 328' innerhalb des Körpers, der entlang der Bodenfläche 312B' frei liegt. Der eingerückte Korridor 328' steht mit der Anschlussöffnung 316' in strömungsmäßiger Verbindung, wodurch Fluid direkt von dem eingerückten Korridor 328' zu der Anschlussöffnung 316' strömt. Der eingerückte Korridor 328' befindet sich über der Oberseite 308A' der Ebene 308', damit Fluid ungehindert von den Öffnungen 324' aufwärts zum Korridor 328' strömen kann. Der Umfang des eingerückten Korridors 320' und die Bodenfläche 312B' sind gegen die Oberseite 308A' der Ebene 312' dergestalt abgedichtet, dass das gesamte Fluid von den Öffnungen 324' über den Korridor 328' zu der Anschlussöffnung 316' strömt. Jede der Öffnungen 330' in der Bodenfläche 312B' ist auf eine entsprechende Öffnung 321' in der Ebene 308' ausgerichtet auf und steht mit dieser Öffnung in strömungsmäßiger Verbindung (12E), wobei die Öffnungen 330' bündig mit der Oberseite 308A' der Ebene 308' angeordnet sind (12E). Alternativ haben die Öffnungen 330 einen Durchmesser, der geringfügig größer ist als der Durchmesser der entsprechenden Öffnung 324', wobei sich die Öffnungen 324' durch die Öffnungen 330' in den Korridor 328' hinein erstrecken.
12H veranschaulicht einen Querschnitt durch den Wärmetauscher von 12A entlang der Linie H-H gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 12H gezeigt, ist die Zwischenschicht 302 mit einer Wärmequelle 99 verbunden. Wie oben angesprochen, ist der Wärmetauscher 300 alternativ integral mit der Wärmequelle 99 als eine einzige Komponente ausgebildet. Die Zwischenschicht 302 ist mit der Bodenfläche 308B der Ebene 308 verbunden. Des Weiteren ist die Ebene 312 mit der Ebene 308 verbunden, wobei die Oberseite 308A der Ebene 308 gegen die Bodenfläche 312B der Ebene 312 abgedichtet ist. Der Umfang des Korridors 320 der Ebene 308 steht mit der Zwischenschicht 302 in strömungsmäßiger Verbindung. Des Weiteren steht der Korridor 328 in der Ebene 312 mit den Öffnungen 322 in der Ebene 308 in strömungsmäßiger Verbindung. Die Bodenfläche 312B der Ebene 312 ist dergestalt gegen die Oberseite 308A der Ebene 308 abgedichtet, dass kein Fluid zwischen den beiden Ebenen 308, 312 austreten kann.
12I veranschaulicht einen Querschnitt durch den alternativen Wärmetauscher von 12B entlang der Linie I-I gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 12I gezeigt, ist die Zwischenschicht 302' mit einer Wärmequelle 99' verbunden. Die Zwischenschicht 302' ist mit der Bodenfläche 304B' der Zirkulationsebene 304' verbunden. Des Weiteren ist die Zirkulationsebene 304 mit der Ebene 308' verbunden, wobei die Oberseite 304A' der Zirkulationsebene 304' gegen die Bodenfläche 308B' der Ebene 308' abgedichtet wird. Des Weiteren ist die Ebene 312' mit der Ebene 308' verbunden, wobei die Oberseite 308A' der Ebene 308' gegen die Bodenfläche 312B' der Ebene 312' abgedichtet ist. Der Umfang des Korridors 320' der Ebene 308' steht mit den Öffnungen in der Oberseite 304A' der Zirkulationsebene 304' dergestalt in strömungsmäßiger Verbindung, dass kein Fluid zwischen den beiden Ebenen austreten kann. Des Weiteren steht der Umfang des Korridors 328' in der Ebene 312' mit den Öffnungen in der Oberseite 308A' der Zirkulationsebene 308' dergestalt in strömungsmäßiger Verbindung, dass kein Fluid zwischen den beiden Ebenen austreten kann.
Während des Betriebes des Wärmetauschers 300, wie durch die Pfeile in den 12A und 12H gezeigt, strömt gekühltes Fluid über die Anschlussöffnung 316 in der Ebene 312' in den Wärmetauscher 300. Das gekühlte Fluid strömt die Anschlussöffnung 316 hinab zum Korridor 328 und fließt über die Zufuhrkanäle 322 abwärts zu der Zwischenschicht 302. Das gekühlte Fluid im Korridor 320 vermischt sich nicht mit erwärmtem Fluid, das den Wärmetauscher 300 verlässt, und kommt nicht mit solchem erwärmten Fluid in Kontakt. Das Fluid, das in die Zwischenschicht 302 einströmt, vollzieht einen Wärmetausch mit der Wärmequelle 99 und nimmt die von der Wärmequelle 99 erzeugte Wärme auf. Die Öffnungen 322 sind optimal dergestalt angeordnet, dass das Fluid die kürzeste Distanz in X- und Y-Richtung in der Zwischenschicht 302 fließt, um den Druckabfall im Wärmetauscher 300 zu minimieren und gleichzeitig die Wärmequelle 99 effektiv zu kühlen. Das erwärmte Fluid strömt dann in Z-Richtung von der Zwischenschicht 302 aufwärts zum Korridor 320 in der Ebene 308. Das erwärmte Fluid, das die Verteilerschicht 306 verlässt, vermischt sich nicht mit gekühltem Fluid, das in die Verteilerschicht 306 einströmt, und kommt nicht mit solchem gekühlten Fluid in Kontakt. Wenn das erwärmte Fluid in den Korridor 320 einströmt, so strömt es zu den Anschlussöffnungen 314 und 315 und verlässt den Wärmetauscher 300. Der Fachmann erkennt, dass das Fluid alternativ entgegen dem Weg, der in den 12A und 12H gezeigt ist, fließt, ohne dass der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
Während eines alternativen Betriebes, wie durch die Pfeile in den 12B und 12I angedeutet, strömt gekühltes Fluid über die Anschlussöffnung 316' in der Ebene 312' in den Wärmetauscher 300'. Das gekühlte Fluid fließt die Anschlussöffnung 315' abwärts zur Anschlussöffnung 314' in der Ebene 308'. Das Fluid fließt dann in den Korridor 320' und strömt über die Öffnungen 322' in der Zirkulationsebene 304' abwärts zur Zwischenschicht 302'. Das gekühlte Fluid im Korridor 320' vermischt sich jedoch nicht mit erwärmtem Fluid, das den Wärmetauscher 300' verlässt, und kommt nicht mit solchem erwärmten Fluid in Kontakt. Das Fluid, das in die Zwischenschicht 302' einströmt, vollzieht einen Wärmetausch mit der Wärmequelle 99 und nimmt die von der Wärmequelle 99 erzeugte Wärme auf. Wie weiter unten besprochen, sind die Öffnungen 322' und die Öffnungen 324' dergestalt angeordnet, dass das Fluid die optimale kürzeste Distanz entlang der Zwischenschicht 302' von jeder Öffnung 322' zu einer benachbarten Öffnung 324' fließt, um den Druckabfall zwischen beiden zu minimieren und gleichzeitig die Wärmequelle 99 effektiv zu kühlen. Das erwärmte Fluid strömt dann in Z-Richtung von der Zwischenschicht 302' aufwärts durch die Ebene 308' hindurch über die verschiedenen Öffnungen 324' zum Korridor 328' in der Ebene 312'. Das erwärmte Fluid vermischt sich nicht mit gekühltem Fluid, das in die Verteilerschicht 306' einströmt, während es die Öffnungen 324' aufwärts fließt, und kommt nicht mit solchem gekühlten Fluid in Kontakt. Wenn das erwärmte Fluid in den Korridor 328' in der Ebene 312' einströmt, so strömt es zu der Anschlussöffnung 316' und verlässt den Wärmetauscher 300'. Der Fachmann erkennt, dass das Fluid alternativ entgegen dem Weg, der in den 12B und 12I gezeigt ist, fließt, ohne dass der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
In der Verteilerschicht 306 sind die Öffnungen 322 dergestalt angeordnet, dass die Distanz, die das Fluid in der Zwischenschicht 302 zurücklegt, minimiert wird, während gleichzeitig die Wärmequelle 99 effektiv gekühlt wird. In der alternativen Verteilerschicht 306' sind die Öffnungen 322' und die Öffnungen 324' dergestalt angeordnet, dass die Distanz, die das Fluid in der Zwischenschicht 302' zurücklegt, minimiert wird, während gleichzeitig die Wärmequelle 99 effektiv gekühlt wird. Genauer gesagt, bilden die Öffnungen 322', 324' im Wesentlichen vertikale Fluidpfade, dergestalt, dass der Fluss in den seitlichen X- und Y-Richtungen in dem Wärmetauscher 300' minimiert wird. Somit verkürzt der Wärmetauscher 300, 300' deutlich die Distanz, die das Fluid zurücklegen muss, um die Wärmequelle 99 ausreichend zu kühlen, was wiederum deutlich den Druckabfall verringert, der in dem Wärmetauscher 300, 300' und in dem System 30, 30' entsteht (2A–2B). Die konkrete Anordnung und die konkreten Querschnittsgrößen der Öffnungen 322 und/oder Öffnungen 324 hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab, einschließlich beispielsweise den Strömungsbedingungen, der Temperatur, der von der Wärmequelle 99 erzeugten Wärme und der Fluidströmungsrate. Es ist anzumerken, dass, obgleich sich die folgende Besprechung auf Öffnungen 322 und 324 bezieht, es sich versteht, dass die Besprechung auch für Öffnungen 322 allein oder für Öffnungen 324 allein gilt.
Die Öffnungen 322, 324 sind um eine optimale Distanz voneinander beabstandet, wodurch der Druckabfall minimiert wird und die Wärmequelle 99 gleichzeitig ausreichend auf eine gewünschte Temperatur gekühlt wird. Die Anordnung und die optimale Distanz der Öffnungen 322 und/oder Öffnungen 324 in der Ausführungsform gestattet auch eine individuelle Optimierung der Öffnungen 322, 324 und im Allgemeinen der Fluidpfade durch die Zwischenschicht 302 durch Ändern der Abmessungen und Positionen der einzelnen Öffnungen. Des Weiteren erhöht die Anordnung der Öffnungen in der Ausführungsform beträchtlich die Aufteilung des Gesamtflusses, der in die Zwischenschicht eintritt, sowie die Fläche, die von dem Fluid, das durch jede Öffnung 322 hereinströmt, gekühlt wird.
Bei einer Ausführungsform sind die Öffnungen 322, 324 im Wechsel bzw. in einem Schachbrettmuster in der Verteilerschicht 306 angeordnet, wie in den 13 und 14 gezeigt ist.
Jede der Öffnungen 322, 324 ist um die kürzeste Distanz beabstandet, die das Fluid in dem Schachbrettmuster fließen muss. Jedoch müssen die Öffnungen 322, 324 um eine Distanz voneinander getrennt sein, die groß genug ist, damit die Kühlflüssigkeit eine ausreichend lange Zeitspanne Kontakt zu der Zwischenschicht 302 hat. Wie in den 13 und 14 gezeigt, ist eine oder sind mehrere der Öffnungen 322 neben einer entsprechenden Anzahl Öffnungen oder umgekehrt angeordnet, dergestalt, dass das Fluid, das in die Zwischenschicht 302 einströmt, die kürzeste Strecke in der Zwischenschicht 302 zurücklegt, bevor es die Zwischenschicht 302 verlässt. So sind, wie in den Figuren gezeigt, die Öffnungen 322, 324 radial umeinander herum verteilt, um das Fluid dabei zu unterstützen, die kürzeste Strecke von einer Öffnung 322 zur nächstgelegenen Öffnung 324 zu fließen. Beispielsweise, wie in 13 gezeigt, fließt Fluid, das über eine bestimmte Öffnung 322 in die Zwischenschicht 302 strömt, den Weg des geringsten Widerstandes zu einer benachbarten Öffnung 324. Außerdem haben die Öffnungen 322, 324 eine kreisrunde Form, obgleich die Öffnungen auch jede andere Form haben können.
Und obgleich die in den Figuren gezeigten Öffnungen 324, wie oben angesprochen, von der Zirkulationsebene 304 oder der Ebene 308, 312 als ein zylindrisches Element hervorstehen, stehen die Öffnungen alternativ von keiner der Ebenen in der Verteilerschicht 306 hervor. Die Verteilerschicht 306 hat gerundete Flächen um die Bereiche herum, wo Fluid seine Richtung ändert, um dabei zu helfen, den Druckabfall im Wärmetauscher 300 zu verringern.
Die optimale Abstandsanordnung sowie die Abmessungen der Öffnungen 322, 324 hängen von der Temperatureinwirkung ab, der das Fluid entlang der Zwischenschicht 302 ausgesetzt ist. Es ist außerdem wichtig, dass die Querschnittsabmessungen für die Fluidpfade in den Öffnungen 322, 324 groß genug sind, um den Druckabfall in dem Wärmetauscher 300 zu verringern. Für den Fall, dass Fluid nur als einphasiger Strom in der Zwischenschicht 302 entlang fließt, ist jede Öffnung 322 von mehreren benachbarten Öffnungen 324 in einer symmetrischen hexagonalen Anordnung umgeben, wie in 13 gezeigt. Des Weiteren ist für eine einphasige Strömung die Anzahl der Öffnungen in der Zirkulationsebene 304 ungefähr gleich. Des Weiteren haben für eine einphasige Strömung die Öffnungen 322, 324 den gleichen Durchmesser. Der Fachmann erkennt, dass alternativ auch andere Anordnungen sowie beliebige Verhältnisse von Öffnungen 322 zu Öffnungen 324 in Betracht kommen.
Für den Fall, dass das Fluid als zweiphasiger Strom in der Zwischenschicht 302 entlang fließt, werden unsymmetrische Anordnungen der Öffnungen 322, 324 verwendet, um die Beschleunigung des zweiphasigen Fluids zu berücksichtigen. Für eine zweiphasige Strömung werden allerdings auch symmetrische Anordnungen der Öffnungen 322, 324 in Betracht gezogen. Beispielsweise können die Öffnungen 322, 324 in der Zirkulationsebene 304 symmetrisch angeordnet sein, wobei die Öffnungen 324 größere Durchmesser haben als die Öffnungen 322. Alternativ wird in der Zirkulationsebene 304 die in 13 gezeigte hexagonale symmetrische Anordnung für eine zweiphasige Strömung verwendet, wobei in der Zirkulationsebene 304 mehr Öffnungen 324 vorhanden sind als Öffnungen 322.
Es ist anzumerken, dass die Öffnungen 322, 324 in der Zirkulationsebene alternativ so angeordnet sein können, dass Heißpunkte in der Wärmequelle 99 gekühlt werden. So sind beispielsweise zwei Öffnungen 322 alternativ unmittelbar nebeneinander in der Zirkulationsebene 304 angeordnet, wobei beide Öffnungen 322 nahe oder über einer Heißpunkt-Grenzflächenregion angeordnet sind. Es ist klar, dass die entsprechende Anzahl von Öffnungen 324 neben beiden Öffnungen 322 angeordnet ist, um den Druckabfall in der Zwischenschicht 302 zu verringern. Darum führen die beiden Öffnungen 322 Kühlfluid zu der Heißpunkt-Grenzflächenregion, um zu bewirken, dass die oben besprochene Heißpunkt-Grenzflächenregion eine gleichmäßige, im Wesentlichen gleiche Temperatur aufweist.
Wie oben angesprochen, hat der Wärmetauscher 300 deutliche Vorteile gegenüber anderen Wärmetauschern. Die Konfiguration des Wärmetauschers 300 wird alternativ wegen der Verringerung des Druckabfalls infolge der vertikalen Fluidpfade in Verbindung mit einer Pumpe von mittlerer Leistung verwendet. Des Weiteren gestattet die Konfiguration des Wärmetauschers 300 eine unabhängige Optimierung des Einlasses und der Fluidpfade entlang der Zwischenschicht 302. Des Weiteren ermöglichen die separaten Ebenen eine an spezielle Gegebenheiten anpassbare Konstruktionsbasis zur Optimierung der Gleichmäßigkeit des Wärmetransfers, der Verringerung des Druckabfalls und der Abmessungen der einzelnen darin verwendeten Komponenten. Die Konfiguration des Wärmetauschers 300 verringert auch den Druckabfall in Systemen, bei denen das Fluid in einen zweiphasigen Strom übergeht, und kann dadurch in Einphasen- und Zweiphasensystemen verwendet werden. Des Weiteren kann der Wärmetauscher, wie weiter unten besprochen, mittels zahlreicher unterschiedlicher Herstellungsverfahren gefertigt werden und ermöglicht eine Anpassung der Komponentengeometrie an unterschiedliche Toleranzen.
18 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht des Wärmetauschers der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 18 gezeigt, enthält der Wärmetauscher 600 eine untere Verteilerschicht 604, eine Zwischenschicht 602 und eine obere Verteilerschicht 606. Die obere Verteilerschicht 606 ist mit der unteren Verteilerschicht 604 verbunden, wobei die Zwischenschicht 602 zwischen der oberen Verteilerschicht 606 und der unteren Verteilerschicht 604 angeordnet ist. Wie in den 18 und 19 gezeigt, verlaufen durch die obere Verteilerschicht 606 vorzugsweise zwei Öffnungen 608, 609. Genauer gesagt, leitet die Einlassöffnung 608 vorzugsweise gekühltes Fluid in den Wärmetauscher 600, und die Auslassöffnung 609 leitet warmes oder heißes Fluid aus dem Wärmetauscher 600 ab. Es ist zu beachten, dass, obgleich in den 18 und 19 eine einzelne Einlassöffnung 608 und eine einzelne Auslassöffnung 609 gezeigt sind, alternativ jede beliebige Anzahl von Einlassöffnungen und Auslassöffnungen in Betracht kommt. Des Weiteren sind die Einlass- und Auslassöffnungen 608, 609 zwar so dargestellt, dass sie vertikal durch die obere Verteilerschicht 606 hindurch verlaufen, doch die Öffnungen 608, 609 sind alternativ auch horizontal und/oder diagonal konfiguriert. Des Weiteren enthält die obere Verteilerschicht 606 mehrere Auslassfluidkanäle 610, die mit der Auslasskammer 612 und der Auslassöffnung 609 in strömungsmäßiger Verbindung stehen. Obgleich die in 19 gezeigten Fluidkanäle 610 gerade und parallel zueinander verlaufen, kommt auch in Betracht, dass die Fluidkanäle 610 alternativ in einem Muster konfiguriert sind und jede beliebige zweckmäßige Form haben.
Die untere Verteilerschicht 604 enthält eine Oberseite 614, die an die Bodenfläche 615 (19) der oberen Verteilerschicht 606 passt. Die untere Verteilerschicht 604 enthält einen eingerückten Bereich 616 von der Oberseite 614 in den Körper der unteren Verteilerschicht 604 hinein. Die Einrückung 616 hat eine geeignete Tiefe, um die Zwischenschicht 602 aufnehmen zu können, wobei die Zwischenschicht 602 vorzugsweise mit der Oberseite 614 bündig abschließt, wenn sie mit der unteren Verteilerschicht 604 verbunden ist, wie in 20 gezeigt. Wie in 18 gezeigt, enthält der eingerückte Bereich 616 eine erhöhte Fläche 620, in der mehrere Fluidkanäle 618 parallel zueinander ausgebildet sind. Die erhöhte Fläche 620 ragt von der Bodenfläche des eingerückten Bereichs 616 um eine entsprechende Distanz aufwärts, so dass die Bodenfläche der Zwischenschicht 602 mit der erhöhten Fläche 620 in Kontakt steht. Die untere Verteilerschicht 604 sowie die erhöhte Fläche 620 bestehen aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, so dass Wärme, die von der Wärmequelle 99 erzeugt wird, direkt durch die erhöhte Fläche 620 zu der Zwischenschicht 602 transferiert wird. Des Weite ren fließt Fluid innerhalb des eingerückten Bereichs 616 entlang den Fluidkanälen 618 durch die erhöhte Fläche 620 und nimmt die Wärme in dem eingerückten Bereich 616 auf, wobei die Temperatur des Fluids infolge des Wärmetauschs in dem eingerückten Bereich 616 ansteigt.
Das Fluid mit der höheren Temperatur strömt von den Fluidkanälen 618 zu der Zwischenschicht 602. Die Zwischenschicht 602 leitet das Fluid von dem eingerückten Bereich 616 in der unteren Verteilerschicht 604 zu den Fluidkanälen 610 (19) in der oberen Verteilerschicht 602. Die Zwischenschicht 602 steht außerdem mit der erhöhten leitfähigen Fläche 620 der unteren Verteilerschicht 604 in Kontakt. Die Zwischenschicht 602 bildet eine Wärmetauschumgebung, wo das Fluid in der Lage ist, die Wärme von der Wärmequelle 99 ausreichend aufzunehmen. Bei der Zwischenschicht 602 handelt es darum vorzugsweise um eine mikroporöse Schicht, wie oben besprochen, wobei sich die Zwischenschicht 602 durch ein hohes Oberfläche-Volumen-Verhältnis auszeichnet. Alternativ enthält die Zwischenschicht 602 (nicht gezeigte) Mikrokanäle, (nicht gezeigte) Säulen oder jegliche Kombinationen aus Mikrokanälen und Säulen.
Es ist zu beachten, dass, obgleich die 18-20 veranschaulichen, dass Fluid über die obere Verteilerschicht 606 in den Wärmetauscher 600 einströmt und den Wärmetauscher 600 über die obere Verteilerschicht 606 verlässt, das Fluid alternativ auch über die untere Verteilerschicht 604 oder über eine Kombination aus der oberen (606) und der unteren (604) Verteilerschicht ein- und ausströmt. Bei einer alternativen Ausführungsform beispielsweise strömt das Fluid in den Wärmetauscher 600 von unterhalb der unteren Verteilerschicht 604 ein, wobei das Fluid den Wärmetauscher 600 über die Öffnung 609 in der oberen Verteilerschicht 606 verlässt.
Es wird nun anhand der 18–20 die Funktionsweise des bevorzugten Wärmetauschers 600 besprochen. Bei der bevorzugten Ausführungsform tritt das gekühlte Fluid über die Einlassanschlussöffnung 608 in den Wärmetauscher 600 ein. Wie oben angesprochen, steht die Bodenfläche 615 der oberen Verteilerschicht 606 in passendem Kontakt mit der Oberseite 614 der unteren Verteilerschicht 604. Somit fließt das Fluid in Z-Richtung direkt von der oberen Verteilerschicht 606 zu dem eingerückten Bereich 616 in der unteren Verteilerschicht 604. Wenn das Fluid den eingerückten Bereich 616 erreicht, strömt es in X-Richtung entlang dem eingerückten Bereich 616 zu den Fluidrinnen 618, die in der erhöhten Wärmetauschfläche 620 angeordnet sind. Wie in 20 zu sehen, steht die Zwischenschicht 602 mit der erhöhten Wärmetauschfläche 620 in Kontakt, wodurch Wärme von der erhöhten Wärmetauschfläche 620 zu der Zwischenschicht 602 transferiert wird. Wie oben angesprochen, haben die erhöhte Wärmetauschfläche 620 sowie die untere Verteilerschicht 604 selbst eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit, damit ein ausreichender Wärmetransfer von der Wärmequelle 99 zur Zwischenschicht 602 stattfinden kann. Darum wird die Wärme von der Wärmequelle 99 zu der Zwischenschicht 602 geleitet, wobei das gekühlte Fluid durch die Fluidrinnen 618 fließt und ein gewisses Maß an Wärmetausch mit der erwärmten erhöhten Wärmetauschfläche 620 vollzieht. Das Fluid fließt von den Fluidrinnen 618 in Z-Richtung zur Zwischenschicht 602, wobei das Fluid einen weiteren Wärmetausch mit der Zwischenschicht 602 vollzieht. Wie oben angesprochen, handelt es sich bei der Zwischenschicht 602 vorzugsweise um eine mikroporöse Struktur mit einem hohen Oberfläche-Volumen-Verhältnis, die das Fluid und die Wärme von der unteren Verteilerschicht 604 aufnimmt, damit das Fluid in ausreichendem Maß die Wärme von der Wärmequelle 99 abführen kann. Das erwärmte Fluid fließt dann entlang den Fluidkanälen 610 zur Auslasskammer 612 und verlässt den Wärmetauscher 606 über die Auslassanschlussöffnung 609.
Die Einzelheiten, wie der Wärmetauscher 100 und die einzelnen Schichten in dem Wärmetauscher 100 gefertigt und hergestellt werden, werden weiter unten besprochen. Die folgende Besprechung gilt für die bevorzugten und alternativen Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung, auch wenn aus Gründen der Einfachheit ausdrücklich auf den Wärmetauscher 100 von 3B und einzelne Schichten in diesem Wärmetauscher Bezug genommen wird. Der Fachmann erkennt außerdem, dass die Einzelheiten der Fertigung bzw. Herstellung zwar im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, dass aber diese Einzelheiten der Fertigung bzw. Herstellung alternativ ebenso für herkömmliche Wärmetauscher sowie für Zwei- und Dreiebenen-Wärmetauscher gelten, die eine einzelne Fluideinlassanschlussöffnung und eine einzelne Fluidauslassanschlussöffnung verwenden, wie in den 1A–1C gezeigt.
Die Zwischenschicht hat vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK), welcher dem der Wärmequelle 99 annähernd gleich oder identisch ist. Dadurch dehnt sich die Zwischenschicht in gleichem Maß aus und zieht sich in gleichem Maß zusammen wie die Wärmequelle 99. Alternativ hat das Material der Zwischenschicht 302 einen WAK, der sich von dem WAK des Materials der Wärmequelle unterscheidet. Eine Zwischenschicht 302, die aus einem Material wie beispielsweise Silicium besteht, hat einen WAK, der zu dem der Wärmequelle 99 passt, und besitzt genügend Wärmeleitfähigkeit, um Wärme in ausreichendem Maß von der Wärmequelle 99 zu dem Fluid zu übertragen. Alternativ werden aber auch andere Materialien in der Zwischenschicht 302 verwendet, die WAKs besitzen, die zu denen der Wärmequelle 99 passen.
Die Zwischenschicht besitzt vorzugsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit, damit genügend Wärme zwischen der Wärmequelle 99 und dem Fluid, das an der Zwischenschicht 302 entlang fließt, übergehen kann, damit die Wärmequelle 99 nicht überhitzt. Die Zwischenschicht besteht vorzugsweise aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit von 100 W/mK. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass die Zwischenschicht 302 auch eine Wärmeleitfähigkeit von mehr oder weniger als 100 W/mK haben kann und nicht auf diesen Wert beschränkt ist.
Um die bevorzugte hohe Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, besteht die Zwischenschicht vorzugsweise aus einem Halbleitersubstrat wie beispielsweise Silicium. Alternativ besteht die Zwischenschicht aber auch aus einem beliebigen anderen Material, einschließlich beispielsweise einkristallinen dielektrischen Materialien, Metallen, Aluminium, Nickel und Kupfer, Kovar, Graphit, Diamant, Verbundwerkstoffen und allen geeigneten Legierungen. Ein alternatives Material für die Zwischenschicht 302 ist ein strukturiertes oder geformtes organisches Maschenmaterial.
Wie in 15 gezeigt, ist die Zwischenschicht vorzugsweise mit einer Überzugsschicht 112 beschichtet, um das Material der Zwischenschicht zu schützen und die Wärmetauscheigenschaften der Zwischenschicht zu verbessern. Insbesondere bietet die Beschichtung 112 einen chemischen Schutz, der bestimmte chemische Wechselwirkungen zwischen dem Fluid und der Zwischenschicht 302 ausschließt. Beispielsweise wird eine aus Aluminium hergestellte Zwischenschicht 302 durch das Fluid, mit dem sie in Berührung kommt, geätzt, wodurch die Zwischenschicht 302 im Lauf der Zeit Schaden nähme. Darum wird die Beschichtung 112 aus einer dünnen Nickelschicht von etwa 25 Mikron auf die Fläche der Zwischenschicht 302 aufgalvanisiert, um mögliche Reaktionen chemisch zu beruhigen, ohne die thermischen Eigenschaften der Zwischenschicht 302 wesentlich zu verändern. Es versteht sich, dass je nach dem oder den Materialien in der Zwischenschicht 302 auch jedes andere Beschichtungsmaterial mit einer zweckmäßigen Schichtdicke in Betracht kommt.
Die Zwischenschicht 302 wird durch ein Ätzverfahren hergestellt, wobei ein Kupfermaterial verwendet wird, das mit einer dünnen Nickelschicht überzogen ist, um die Zwischenschicht 302 zu schützen. Alternativ besteht die Zwischenschicht 302 aus Aluminium, Siliciumsubstrat, Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material. Zwischenschichten 302, die aus Materialien mit schlechter Wärmeleitfähigkeit bestehen, werden ebenfalls mit dem entsprechenden Beschichtungsmaterial überzogen, um die Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht 302 zu verbessern. Ein Verfahren zur galvanoplastischen Herstellung der Zwischenschicht besteht darin, eine Keimschicht aus Chrom oder einem anderen geeigneten Material auf der Bodenfläche der Zwischenschicht 302 aufzubringen und eine elektrische Verbindung mit geeigneter Spannung zu der Keimschicht herzustellen. Auf diese Weise bildet die elektrische Verbindung eine Schicht aus dem wärmeleitfähigen Beschichtungsmaterial 112 auf der Zwischenschicht 302 aus. Das galvanoplastische Verfahren bildet des Weiteren Strukturabmessungen im Bereich von 10 bis 100 Mikron aus. Die Zwischenschicht 302 wird mit einem galvanoplastischen Verfahren hergestellt, wie beispielsweise strukturiertem Galvanisieren. Des Weiteren wird die Zwischenschicht alternativ durch fotochemisches Ätzen oder chemisches Fräsen allein oder in Kombination mit dem galvanoplastischen Verfahren weiterbearbeitet. Mittels standardmäßiger Lithografiesätze für chemisches Fräsen werden Strukturelemente in die Zwischenschicht 302 eingearbeitet. Überdies können die Längenverhältnisse und Toleranzen mittels laserunterstützter chemischer Fräsverfahren optimiert werden.
Die oben besprochenen Säulen 303 werden mittels einer Vielzahl von Verfahren hergestellt. Es ist jedoch zu beachten, dass die Säulen 303 so hergestellt werden, dass sie eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Bei einer Ausführungsform werden die Säulen 303 mit einem hoch leitfähigen Material wie beispielsweise Kupfer hergestellt. Der Fachmann zieht aber auch andere Materialien wie beispielsweise Silicium in Betracht. Die Säulen 303 werden auf verschiedene Arten hergestellt, einschließlich beispielsweise galvanoplastischer Verfahren, Drahterosion, Prägen, MIM und maschineller Verfahren. Des Weiteren kann auch Kreuzschneiden mittels Sägen und/oder Fräswerkzeugen die gewünschte Konfiguration in der Zwischenschicht 302 erbringen. Im Fall einer aus Silicium hergestellten Zwischenschicht 302 würden die Säulen 303 je nach dem gewünschten Längenverhältnis der Säulen 303 in der Zwischenschicht 302 mittels Verfahren wie beispielsweise Plasmaätzen, Sägen, lithografischer Strukturierung und verschiedener Nassätzverfahren hergestellt werden. Die radial verteilten rechteckigen Rippen 303E (10E) können durch lithografische Strukturierung hergestellt werden, wobei Plasmaätz- oder galvanoplastische Verfahren innerhalb der lithografisch ausgebildeten Formen Anwendung finden.
Bei der alternativen Ausführungsform bestehen die Mikrokanalwände 110, die in der Zwischenschicht 302 verwendet werden, aus Silicium. Die Mikrokanalwände 110 bestehen alternativ auch aus beliebigen anderen Materialien, einschließlich beispielsweise strukturiertem Glas, Polymer und einem geformten Polymermaschenmaterial. Obgleich die Mikrokanalwände 110 aus dem gleichen Material bestehen wie die Bodenfläche 103 der Zwischenschicht 302, bestehen die Mikrokanalwände 110 alternativ aus einem anderen Material als der übrige Teil der Zwischenschicht 302.
Bei der alternativen Ausführungsform haben die Mikrokanalwände 110 eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 10 W/mK. Alternativ haben die Mikrokanalwände 110 eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 10 W/mK. Dem Fachmann ist klar, dass die Mikrokanalwände 110 alternativ eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 10 W/mK aufweisen, wobei ein Beschichtungsmaterial 112 auf die Mikrokanalwände 110 aufgebracht wird, wie in 15 gezeigt, um die Wärmeleitfähigkeit der Wandstrukturelemente 110 zu verbessern. Bei Mikrokanalwänden 110, die aus Materialien bestehen, die bereits eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen, hat die aufgebrachte Beschichtung 112 eine Dicke von wenigstens 25 Mikron, was auch die Oberfläche der Mikrokanalwände 110 schützt. Bei Mikrokanalwänden 110, die aus einem Material bestehen, das eine schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzt, hat die Beschichtung 112 eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 50 W/mK und eine Dicke von mehr als 25 Mikron. Dem Fachmann ist klar, dass auch andere Arten von Beschichtungsmaterialien und andere Dickenabmessungen in Betracht kommen.
Um die Mikrokanalwände 110 so zu konfigurieren, dass sie eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 10 W/mK haben, werden die Wände 110 mit dem Beschichtungsmaterial 112 (15), wie beispielsweise Nickel oder einem anderen Material, wie oben besprochen, galvanoplastisch ausgebildet. Um die Mikrokanalwände 110 so zu konfigurieren, dass sie eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 50 W/mK haben, werden die Wände 110 mit Kupfer oder einer Keimschicht aus einem dünnen Metallfilm galvanisiert. Alternativ werden die Mikrokanalwände 110 nicht mit dem Beschichtungsmaterial überzogen.
Die Mikrokanalwände 110 werden mittels einer Heißprägetechnik ausgebildet, um ein hohes Längenverhältnis der Kanalwände 110 entlang der Bodenfläche 103 der Zwischenschicht 102 zu erreichen. Die Mikrokanalwand-Strukturelemente 110 werden alternativ als Siliciumstrukturen hergestellt, die auf einer Glasfläche abgelagert werden, wobei die Strukturelemente auf dem Glas in der gewünschten Konfiguration geätzt werden. Die Mikrokanalwände 110 werden alternativ mittels standardmäßiger lithografischer Techniken, Präge- oder Schmiedeprozesse oder mittels sonstiger geeigneter Verfahren ausgebildet. Die Mikrokanalwände 110 werden alternativ von der Zwischenschicht 102 getrennt hergestellt und mittels anodischer oder Epoxidverbindung mit der Zwischenschicht 102 verbunden. Alternativ werden die Mikrokanal- Strukturelemente 110 mittels herkömmlicher galvanoplastischer Verfahren, wie beispielsweise Galvanisieren, mit der Zwischenschicht 102 verbunden.
Es gibt eine Vielzahl von Verfahren, die zur Herstellung der Zwischenschicht 104 verwendet werden können. Die Zwischenschicht wird aus Silicium hergestellt. Dem Fachmann ist klar, dass auch jedes andere geeignete Material in Betracht kommt, einschließlich beispielsweise Glas, laserstrukturiertes Glas, Polymere, Metalle, Kunststoff, geformte organische Materialien oder daraus hergestellte Verbundmaterialien. Alternativ wird die Zwischenschicht 104 mittels Plasmaätztechniken hergestellt. Alternativ wird die Zwischenschicht 104 mittels einer chemischen Ätztechnik hergestellt. Zu weiteren alternativen Verfahren gehören beispielsweise maschinelle Verfahren, Ätzen, Extrudieren und/oder Schmieden eines Metalls in die gewünschte Konfiguration. Die Zwischenschicht 104 wird alternativ durch Spritzgießen eines Kunststoffmaschenmaterials in die gewünschte Konfiguration hergestellt. Alternativ wird die Zwischenschicht 104 durch Laserbohren einer Glasplatte in die gewünschte Konfiguration hergestellt.
Die Verteilerschicht 306 wird durch eine Vielzahl von Verfahren hergestellt. Bei einer Ausführungsform wird die Verteilerschicht 306 als ein komplettes Stück hergestellt. Alternativ wird die Verteilerschicht 306 als separate Komponenten, wie in 12 gezeigt, hergestellt, die anschließend miteinander verbunden werden. Die Verteilerschicht 306 kann in einem Spritzgießverfahren unter Verwendung von Kunststoff, Metall, Polymerverbundstoffen oder sonstigen geeigneten Materialien hergestellt werden, wobei jede Schicht aus dem gleichen Material besteht. Alternativ, wie oben besprochen, besteht jede Schicht aus einem anderen Material. Die Verteilerschicht 306 wird alternativ mittels eines maschinellen Verfahrens oder einer Metallätztechnik hergestellt. Dem Fachmann ist klar, dass die Verteilerschicht 306 auch mittels anderer geeigneter Verfahren hergestellt werden kann.
Die Zwischenschicht 104 wird mittels einer Vielzahl von Verfahren mit der Zwischenschicht 102 und der Verteilerschicht 106 verbunden, so dass der Wärmetauscher 100 entsteht. Die Zwischenschicht 102, die Zwischenschicht 104 und die Verteilerschicht 106 werden mittels eines anodischen, eines Klebe- oder eines eutektischen Verbindungsverfahrens miteinander verbunden. Die Zwischenschicht 104 ist alternativ in Strukturelemente der Verteilerschicht 106 und der Zwischenschicht 102 integriert. Die Zwischenschicht 104 wird mittels eines chemischen Verbindungsverfahrens mit der Zwischenschicht 102 verbunden. Die Zwischenschicht 104 wird alternativ mittels einer Heißpräge- oder weichlithografischen Technik hergestellt, wobei Drahterosion oder ein Silicium-Master verwendet wird, um die Zwischenschicht 104 zu prägen. Die Zwischenschicht 104 wird dann alternativ mit Metall oder einem anderen geeigneten Material galvanisiert, um erforderlichenfalls die Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht 104 zu verbessern.
Alternativ wird die Zwischenschicht 104 zusammen mit der Herstellung der Mikrokanalwände 110 in der Zwischenschicht 102 mittels eines Spritzgussverfahrens ausgebildet. Alternativ wird die Zwischenschicht 104 mittels eines anderen geeigneten Verfahren zusammen mit der Herstellung der Mikrokanalwände 110 ausgebildet. Zu weiteren Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers gehören beispielsweise Löten, Verschmelzen, eutektisches Verbinden, intermetallisches Verbinden und alle sonstigen geeigneten Techniken je nach den in jeder Schicht verwendeten Materialarten.
Ein weiteres alternatives Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers der vorliegenden Erfindung ist in 16 beschrieben. Wie in Verbindung mit 16 besprochen, enthält ein alternatives Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers das Aufbauen einer Hartmaske, die aus einem Siliciumsubstrat hergestellt ist, als die Zwischenschicht (Schritt 500). Die Hartmaske ist aus Siliciumdioxid oder alternativ aus aufgeschleudertem Glas hergestellt. Nach dem Herstellen der Hartmaske werden in der Hartmaske mehrere Unterkanäle ausgebildet, wobei die Unterkanäle die Fluidpfade zwischen den Mikrokanalwänden 110 bilden (Schritt 502). Die Unterkanäle werden durch ein beliebiges geeignetes Verfahren gebildet, einschließlich beispielsweise HF-Ätztechniken, chemisches Fräsen, Weichlithografie und Xenondifluoridätzung. Des Weiteren muss genügend Platz zwischen den einzelnen Unterka nälen gewährleistet werden, so dass nebeneinanderliegende Unterkanäle sich nicht überbrücken können. Anschließend wird mittels eines beliebigen herkömmlichen Verfahrens aufgeschleudertes Glas auf die Oberseite der Hartmaske aufgebracht, so dass die Zwischen- und Verteilerschichten entstehen (Schritt 504). Anschließend werden die Zwischen- und Verteilerschichten mittels eines Härtungsverfahrens gehärtet (Schritt 506). Nachdem die Zwischen- und Verteilerschichten vollständig ausgebildet und gehärtet sind, werden eine oder mehrere Fluidanschlussöffnungen in die gehärtete Schicht eingearbeitet (Schritt 508). Die Fluidanschlussöffnungen werden in die Verteilerschicht geätzt oder alternativ gebohrt. Obgleich im vorliegenden Text konkrete Verfahren zur Herstellung der Zwischenschicht 102, der Zwischenschicht 104 und der Verteilerschicht 106 besprochen werden, kommen alternativ auch andere einschlägig bekannte Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers 100 in Betracht.
17 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform des Wärmetauschers der vorliegenden Erfindung. Wie in 6 gezeigt, sind zwei Wärmetauscher 200, 200' mit einer Wärmequelle 99 verbunden. Genauer gesagt, ist die Wärmequelle 99, wie beispielsweise ein elektronischer Baustein, ist mit einer Platine 96 verbunden und aufrecht positioniert, wobei jede Seite der Wärmequelle 99 potenziell exponiert ist. Ein Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung ist mit einer exponierten Seite der Wärmequelle 99 verbunden, wodurch beide Wärmetauscher 200, 200' die Wärmequelle 99 maximal kühlen. Alternativ ist die Wärmequelle horizontal mit der Platine verbunden, wobei mehr als ein Wärmetauscher auf die (nicht gezeigte) Wärmequelle 99 aufgesetzt ist, wobei jeder Wärmetauscher elektrisch mit der Wärmequelle 99 verbunden ist. Weitere Einzelheiten bezüglich dieser Ausführungsform sind in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/072,137, eingereicht am 7. Februar 2002, mit dem Titel "Power conditioning module", die hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird, gezeigt und beschrieben.
Wie in 17 gezeigt, ist der Wärmetauscher 200, der zwei Schichten aufweist, mit der linken Seite der Wärmequelle 99 verbunden, und der Wärmetauscher 200', der drei Schichten aufweist, ist mit der rechten Seite der Wärmequelle 99 verbunden. Der Fachmann erkennt, dass die Wärmetauscher mit den Seiten der Wärmequelle 99 verbunden sind. Der Fachmann erkennt des Weiteren, dass die alternativen Ausführungsformen des Wärmetauschers 200' alternativ mit den Seiten der Wärmequelle 99 verbunden sind. Die in 17 gezeigte alternative Ausführungsform ermöglicht eine präzisere Heißpunktkühlung der Wärmequelle 99 durch Zuführen von Fluid zum Kühlen von Heißpunkten, die entlang der Dicke der Wärme quelle 99 vorhanden sind. Somit sorgt die Ausführungsform von 17 für eine ausreichende Kühlung von Heißpunkten in der Mitte der Wärmequelle 99 durch Austausch von Wärme von beiden Seiten der Wärmequelle 99. Der Fachmann erkennt, dass die in 17 gezeigte Ausführungsform mit dem Kühlsystem 30 aus den 2A–2B verwendet wird, obgleich auch andere Geschlossenkreissysteme in Betracht kommen.
Wie oben angesprochen, hat die Wärmequelle 99 alternativ Eigenschaften, wobei sich die Stellen eines oder mehrerer Heißpunkte infolge unterschiedlicher Aufgaben, die von der Wärmequelle 99 auszuführen sind, verändern. Um die Wärmequelle 99 ausreichend zu kühlen, enthält das System 30 alternativ ein Sensor- und Steuermodul 34 (2A–2B), das die Durchflussmenge und/oder die Strömungsrate des Fluids, das in den Wärmetauscher 100 einströmt, in Reaktion auf eine Veränderung der Position der Heißpunkte dynamisch verändert.
Genauer gesagt, wie in 17 gezeigt, ist ein oder sind mehrere Sensoren 124 in jeder Heißpunkt-Grenzflächenregion in dem Wärmetauscher und/oder alternativ der Wärmequelle 99 an jeder potenziellen Heißpunktstelle angeordnet. Alternativ sind mehrere Wärmequellen gleichmäßig zwischen der Wärmequelle und dem Wärmetauscher und/oder in dem Wärmetauscher selbst angeordnet. Das Steuermodul 38 (2A–2B) ist auch mit einem oder mehreren Ventilen in dem Kreis 30 verbunden, die den Fluidstrom zum Wärmetauscher 100 steuern. Das eine oder die mehreren Ventile sind in den Fluidleitungen angeordnet, befinden sich aber alternativ auch an einer anderen Stelle. Die mehreren Sensoren sind mit den Steuermodul 34 verbunden, wobei das Steuermodul 34 vorzugsweise stromaufwärts des Wärmetauschers 100 angeordnet ist, wie in 2 gezeigt. Alternativ ist das Steuermodul 34 an einer beliebigen anderen Stelle in dem Geschlossenkreissystem 30 angeordnet.
Die Sensoren 124 versorgen das Steuermodul 34 mit Informationen, einschließlich beispielsweise der Strömungsrate des Fluids, das in der Heißpunkt-Grenzflächenregion fließt, der Temperatur der Zwischenschicht 102 in der Heißpunkt-Grenzflächenregion und/oder der Wärmequelle 99 und der Temperatur des Fluids. Beispielsweise, wie in der schematischen Darstellung in 17 gezeigt, liefern an der Zwischenschicht angeordnete Sensoren 124 Informationen an das Steuermodul 34, dass die Temperatur in einer bestimmten Heißpunkt-Grenzflächenregion in dem Wärmetauscher 200 ansteigt, während die Temperatur in einer bestimmten Heißpunkt-Grenzflächenregion in dem Wärmetauscher 200' abnimmt. In Reakti on darauf erhöht das Steuermodul 34 die Durchflussmenge zum Wärmetauscher 200 und verringert die Durchflussmenge zum Wärmetauscher 200'. Alternativ ändert das Steuermodul 34 die Durchflussmenge zu einer oder mehreren Heißpunkt-Grenzflächenregionen in einem oder mehreren Wärmetauschern in Reaktion auf die Informationen, die von den Sensoren 118 kommen. Obgleich die Sensoren 118 in 17 mit den beiden Wärmetauschern 200, 200' gezeigt sind, versteht es sich, dass die Sensoren 118 alternativ mit nur einem einzigen Wärmetauscher verbunden sind.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Wärmetauscher 100 der vorliegenden Erfindung mit einem thermoelektrischen Baustein 97 verbunden, wie in 2A gezeigt, wobei der thermoelektrische Baustein 97 mit der Wärmequelle 99 verbunden ist. Der thermoelektrische Baustein 97 hat die gleichen Abmessungen wie die Wärmequelle 99 und ist mit einer Energiequelle 96 verbunden, die den thermoelektrischen Baustein 97 betreibt. Der thermoelektrische Baustein 97 dient der Unterdrückung der Kontaktstellentemperatur unter der heißesten Fläche des Wärmetauschers 100 und dient alternativ zur Verringerung von Temperaturunterschieden in der Wärmequelle 99. Der thermoelektrische Baustein 97 dient alternativ zum Unterstützen der Kühlung von einem oder mehreren Heißpunkten in der Wärmequelle 99. Bei einer Ausführungsform ist der thermoelektrische Baustein 97 integral in dem Wärmetauscher 100 als Teil der Zwischenschicht 102 ausgebildet. Bei einer anderen Ausführungsform ist der thermoelektrische Baustein 97 integral in der Wärmequelle oder dem Mikroprozessor 99 ausgebildet. Der Fachmann erkennt, dass der thermoelektrische Baustein 97 von einem beliebigen herkömmlichen Typ sein kann, der sich zur Verwendung in der Wärmequelle 99 und dem Wärmetauscher 100 eignet. Der Fachmann erkennt außerdem, dass der thermoelektrische Baustein 97 mit jedem der Wärmetauscher verwendet werden kann, die in der vorliegenden Anmeldung besprochen und beschrieben sind.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand konkreter Ausführungsformen beschrieben, die Details beinhalten, welche das Verständnis der Bau- und Funktionsprinzipien der Erfindung erleichtern. Ein solcher Bezug im vorliegenden Text auf spezifische Ausführungsformen und deren Details sollen nicht den Geltungsbereich der hier angehängten Ansprüche beschränken. Dem Fachmann ist klar, dass an den zur Veranschaulichung gewählten Ausführungsformen Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer Wärmequelle, die entlang einer Ebene konfiguriert ist. Der Wärmetauscher umfasst eine Zwischenschicht (102), die einen Wärmeaustausch mit der Wärmequelle vollzieht und so konfiguriert ist, dass sie Fluid von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite leitet. Die Verteilerschicht (106) umfasst eine erste Schicht, die mit der Wärmequelle in Kontakt steht, und hat eine zweckmäßige Wärmeleitfähigkeit, um Wärme zu der Zwischenschicht zu transferieren. Die Verteilerschicht umfasst des Weiteren eine zweite Schicht, die mit der ersten Schicht verbunden ist und mit der zweiten Seite der Zwischenschicht in Kontakt steht. Die erste Schicht umfasst einen eingerückten Bereich mit einer wärmeleitenden Region, die mit der wärmetauschenden Schicht in Kontakt steht. Die erste Schicht enthält wenigstens eine Einlass- und/oder Auslassanschlussöffnung. Die zweite Schicht enthält wenigstens eine Einlass- und/oder Auslassanschlussöffnung. Wenigstens eine Einlass- und/oder Auslassanschlussöffnung ist im Wesentlichen parallel oder senkrecht zu der Ebene angeordnet.

Claims

Wärmetauscher, umfassend einen Körper mit einem leitenden Abschnitt in Kontakt mit einer Wärmequelle, die entlang einer Ebene konfiguriert ist, wobei der leitende Abschnitt Wärme von der Wärmequelle zu einer wärmetauschenden Schicht leitet, die innerhalb des Körpers konfiguriert ist, wobei der Körper wenigstens eine Einlassanschlussöffnung und wenigstens eine Auslassanschlussöffnung enthält, wobei die wenigstens eine Einlassanschlussöffnung Fluid durch die wärmetauschende Schicht von einer ersten Seite nahe dem leitenden Abschnitt zu einer zweiten Seite, die von dem leitenden Abschnitt entfernt liegt, leitet.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei der Körper des Weiteren Folgendes umfasst: a. eine erste Schicht mit dem leitenden Abschnitt, die so konfiguriert ist, dass sie Fluid dort entlang von der Einlassanschlussöffnung leitet; und b. eine zweite Schicht, die mit der ersten Schicht verbunden ist, wobei die wärmetauschende Schicht zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht konfiguriert ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei die erste Schicht des Weiteren einen eingerückten Bereich umfasst, der eine wärmeleitende Region aufweist, die mit der wärmetauschenden Schicht in Kontakt steht.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei die erste Schicht die Einlassanschlussöffnung enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei die erste Schicht die Auslassanschlussöffnung enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei die zweite Schicht die Einlassanschlussöffnung enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei die zweite Schicht die Auslassanschlussöffnung enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Einlassanschlussöffnung im Wesentlichen parallel zu der Ebene angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Einlassanschlussöffnung im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Auslassanschlussöffnung im Wesentlichen parallel zu der Ebene angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Auslassanschlussöffnung im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, wobei der eingerückte Bereich mehrere Fluideinlassrinnen enthält, die sich durch den wärmeleitenden Bereich erstrecken, wobei die Fluideinlassrinnen dazu dienen, Fluid von der Einlassanschlussöffnung zu der wärmetauschenden Schicht zu leiten.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, wobei die zweite Schicht des Weiteren mehrere Fluidauslassrinnen umfasst, um Fluid von der wärmetauschenden Schicht zu der zweiten Anschlussöffnung zu leiten.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei das Fluid in einphasigen Strömungszuständen vorliegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Teil des Fluids in zweiphasigen Strömungszuständen vorliegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei der leitende Abschnitt eine Dicke im Bereich von 0,3 bis 0,7 Millimetern aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei ein Überhang eine Abmessung im Bereich von 0 bis 15 Millimetern aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Teil des Fluids in dem Wärmetauscher einen Übergang zwischen einphasigen und zweiphasigen Strömungszuständen vollzieht.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei die erste Schicht aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/mK besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei die erste Schicht des Weiteren mehrere Säulen umfasst, die in einem zuvor festgelegten Muster entlang der Zwischenschicht konfiguriert sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 20, wobei wenigstens eine der mehreren Säulen eine Fläche im Bereich von (10 Mikron)² bis (100 Mikron)² aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 20, wobei wenigstens eine der mehreren Säulen eine Höhe im Bereich von 50 Mikron bis 2 Millimeter aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 20, wobei wenigstens zwei der mehreren Säulen um eine Distanz im Bereich von 10 bis 150 Mikron voneinander beabstandet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 20, wobei wenigstens eine der mehreren Säulen wenigstens eine variierende Abmessung entlang einer zuvor festgelegten Richtung aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 20, wobei eine zweckmäßige Anzahl Säulen in einem zuvor festgelegten Bereich entlang der Zwischenschicht angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Abschnitt der ersten Schicht eine aufgeraute Oberfläche aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 20, wobei sich auf den mehreren Säulen eine Beschichtung befindet, wobei die Beschichtung eine zweckmäßige Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/mk aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die wärmetauschende Schicht aus einer porösen Mikrostruktur hergestellt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 28, wobei die poröse Mikrostruktur eine Porosität im Bereich von 50 bis 80 Prozent aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 28, wobei die poröse Mikrostruktur eine durchschnittliche Porengröße im Bereich von 10 bis 200 Mikron aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 28, wobei die poröse Mikrostruktur eine Höhe im Bereich von 0,25 bis 2,00 Millimetern aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 28, wobei die poröse Mikrostruktur wenigstens eine Pore enthält, die eine variierende Abmessung entlang einer zuvor festgelegten Richtung aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, der des Weiteren mehrere Mikrokanäle umfasst, die in einer zuvor festgelegten Konfiguration entlang der ersten Schicht angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 33, wobei wenigstens einer der mehreren Mikrokanäle eine Fläche im Bereich von (10 Mikron)² bis (100 Mikron)² aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 33, wobei wenigstens einer der mehreren Mikrokanäle eine Höhe im Bereich von 50 Mikron bis 2 Millimetern aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 33, wobei wenigstens zwei der mehreren Mikrokanäle um eine Distanz im Bereich von 10 bis 150 Mikron voneinander beabstandet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 33, wobei wenigstens einer der mehreren Mikrokanäle eine Breite im Bereich von 10 bis 100 Mikron aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht mit der Wärmequelle verbunden ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht integral mit der Wärmequelle ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Wärmequelle um einen integrierten Schaltkreis handelt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, der des Weiteren ein thermoelektrisches Element umfasst, das zwischen dem leitenden Abschnitt und der Wärmequelle angeordnet ist, wobei das thermoelektrische Element elektrisch an eine Energiequelle angeschlossen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 41, wobei das thermoelektrische Element integral innerhalb des Wärmetauschers ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 41, wobei das thermoelektrische Element integral innerhalb der Wärmequelle ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 41, wobei das thermoelektrische Element mit dem Wärmetauscher und der Wärmequelle verbunden ist.
Wärmetauscher, der zum Kühlen einer Wärmequelle konfiguriert ist, die entlang einer Ebene konfiguriert ist, umfassend: a. eine Zwischenschicht zum Vollzug eines Wärmetauschs mit der Wärmequelle, wobei die Zwischenschicht so konfiguriert ist, dass sie Fluid von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite leitet; und b. eine Verteilerschicht, umfassend: i. eine erste Schicht, die mit der Wärmequelle in Kontakt steht und eine zweckmäßige Wärmeleitfähigkeit aufweist, um Wärme zu der ersten Seite der Zwischenschicht zu leiten; und ii. eine zweite Schicht, die mit der ersten Schicht verbunden ist und mit der zweiten Seite der Zwischenschicht in Kontakt steht.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei die erste Schicht des Weiteren einen eingerückten Bereich umfasst, der eine wärmeleitende Region aufweist, die mit der Zwischenschicht in Kontakt steht.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei die erste Schicht die wenigstens eine Einlassanschlussöffnung enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei die erste Schicht die wenigstens eine Auslassanschlussöffnung enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei die zweite Schicht die wenigstens eine Einlassanschlussöffnung enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei die zweite Schicht die wenigstens eine Auslassanschlussöffnung enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei die wenigstens eine Einlassanschlussöffnung im Wesentlichen parallel zu der Ebene angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei die wenigstens eine Einlassanschlussöffnung im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei die wenigstens eine Auslassanschlussöffnung im Wesentlichen parallel zu der Ebene angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei die wenigstens eine Auslassanschlussöffnung im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 46, wobei der eingerückte Bereich mehrere Fluideinlassrinnen enthält, die sich durch den wärmeleitenden Bereich erstrecken, wobei die Fluideinlassrinnen dazu dienen, Fluid von wenigstens einer Einlassanschlussöffnung zu der Zwischenschicht zu leiten.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei die zweite Schicht des Weiteren mehrere Fluidauslassrinnen umfasst, um Fluid von der Zwischenschicht zu wenigstens einer Auslassanschlussöffnung zu leiten.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei das Fluid in einphasigen Strömungszuständen vorliegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei wenigstens ein Teil des Fluids in zweiphasigen Strömungszuständen vorliegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei die erste Schicht eine Dicke im Bereich von 0,3 bis 0,7 Millimetern aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei ein Überhang eine Abmessung im Bereich von 0 bis 15 Millimetern aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei wenigstens ein Teil des Fluids in dem Wärmetauscher einen Übergang zwischen einphasigen und zweiphasigen Strömungszuständen vollzieht.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei die Wärmeleitfähigkeit mindestens 100 W/mk beträgt.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei die erste Schicht des Weiteren mehrere Säulen umfasst, die in einem zuvor festgelegten Muster entlang der ersten Schicht konfiguriert sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 63, wobei wenigstens eine der mehreren Säulen eine Fläche im Bereich von (10 Mikron)² bis (100 Mikron)² aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 63, wobei wenigstens eine der mehreren Säulen eine Höhe im Bereich von 50 Mikron bis 2 Millimeter aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 63, wobei wenigstens zwei der mehreren Säulen um eine Distanz im Bereich von 10 bis 150 Mikron voneinander beabstandet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 63, wobei wenigstens eine der mehreren Säulen wenigstens eine variierende Abmessung entlang einer zuvor festgelegten Richtung aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 63, wobei eine zweckmäßige Anzahl Säulen in einem zuvor festgelegten Bereich entlang der Zwischenschicht angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei wenigstens ein Abschnitt der ersten Schicht eine aufgeraute Oberfläche aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 63, wobei sich auf den mehreren Säulen eine Beschichtung befindet, wobei die Beschichtung eine zweckmäßige Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/mk aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei die Zwischenschicht aus einer porösen Mikrostruktur besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 71, wobei die poröse Mikrostruktur eine Porosität im Bereich von 50 bis 80 Prozent aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 71, wobei die poröse Mikrostruktur eine durchschnittliche Porengröße im Bereich von 10 bis 200 Mikron aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 71, wobei die poröse Mikrostruktur eine Höhe im Bereich von 0,25 bis 2,00 Millimetern aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 71, wobei die poröse Mikrostruktur wenigstens eine Pore enthält, die eine variierende Abmessung entlang einer zuvor festgelegten Richtung aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, der des Weiteren mehrere Mikrokanäle umfasst, die in einer zuvor festgelegten Konfiguration entlang der ersten Schicht angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 76, wobei wenigstens einer der mehreren Mikrokanäle eine Fläche im Bereich von (10 Mikron)² bis (100 Mikron)² aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 76, wobei wenigstens einer der mehreren Mikrokanäle eine Höhe im Bereich von 50 Mikron bis 2 Millimetern aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 76, wobei wenigstens zwei der mehreren Mikrokanäle um eine Distanz im Bereich von 10 bis 150 Mikron voneinander beabstandet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 76, wobei wenigstens einer der mehreren Mikrokanäle eine Breite im Bereich von 10 bis 100 Mikron aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei die erste Schicht mit der Wärmequelle verbunden ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei die erste Schicht integral mit der Wärmequelle ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, wobei es sich bei der Wärmequelle um einen integrierten Schaltkreis handelt.
Wärmetauscher nach Anspruch 45, der des Weiteren ein thermoelektrisches Element umfasst, das zwischen der ersten Schicht und der Wärmequelle angeordnet ist, wobei das thermoelektrische Element elektrisch an eine Energiequelle angeschlossen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 84, wobei das thermoelektrische Element integral innerhalb des Wärmetauschers ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 84, wobei das thermoelektrische Element integral innerhalb der Wärmequelle ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 84, wobei das thermoelektrische Element mit dem Wärmetauscher und der Wärmequelle verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetausches, der zum Kühlen einer Wärmequelle konfiguriert ist, die entlang einer Ebene angeordnet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a. Bereitstellen einer ersten Schicht, die so konfiguriert werden kann, dass sie mit der Wärmequelle in Kontakt steht und Fluid entlang einer wärmeleitenden Fläche leitet; b. Verbinden einer zweiten Schicht mit der ersten Schicht, wobei eine erste Seite der zweiten Schicht mit der wärmeleitenden Fläche in Kontakt steht und so konfiguriert ist, dass sie Fluid von der ersten Schicht dort hindurch leitet; und c. Verbinden einer dritten Schicht mit der ersten und der zweiten Schicht, wobei eine zweite Seite der zweiten Schicht mit der dritten Schicht in Kontakt steht.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 88, wobei die erste Schicht des Weiteren einen eingerückten Bereich umfasst, der eine wärmeleitende Fläche aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 88, wobei der Wärmetauscher wenigstens eine Einlassanschlussöffnung enthält, um Fluid zu der ersten Seite zu leiten, und wenigstens eine Auslassanschlussöffnung enthält, um Fluid von der zweiten Seite fortzuleiten.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 90, wobei die erste Schicht die wenigstens eine Einlassanschlussöffnung enthält.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 90, wobei die erste Schicht die wenigstens eine Auslassanschlussöffnung enthält.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 90, wobei die dritte Schicht die wenigstens eine Einlassanschlussöffnung enthält.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 90, wobei die dritte Schicht die wenigstens eine Auslassanschlussöffnung enthält.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 90, wobei die wenigstens eine Einlassanschlussöffnung im Wesentlichen parallel zu der Ebene angeordnet ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 90, wobei die wenigstens eine Einlassanschlussöffnung im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene angeordnet ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 90, wobei die wenigstens eine Auslassanschlussöffnung im Wesentlichen parallel zu der Ebene angeordnet ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 90, wobei die wenigstens eine Auslassanschlussöffnung im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene angeordnet ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 89, wobei der eingerückte Bereich mehrere Fluideinlassrinnen enthält, die sich entlang der wärmeleitenden Fläche erstrecken, wobei die Fluideinlassrinnen dazu dienen, Fluid von wenigstens einer Einlassanschlussöffnung zu der zweiten Schicht zu leiten.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 88, wobei das Fluid in einphasigen Strömungszuständen vorliegt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 88, wobei wenigstens ein Teil des Fluids in zweiphasigen Strömungszuständen vorliegt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 88, wobei die erste Schicht eine Dicke im Bereich von 0,3 bis 0,7 Millimetern aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 88, wobei ein Überhang eine Abmessung im Bereich von 0 bis 15 Millimetern aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 88, wobei wenigstens ein Teil des Fluids in dem Wärmetauscher einen Übergang zwischen einphasigen und zweiphasigen Strömungszuständen vollzieht.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 88, wobei die erste Schicht aus einem Material besteht, das eine Wärmeleitfähigkeit mindestens 100 W/mk aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 88, das des Weiteren das Ausbilden mehrerer Säulen in einem zuvor festgelegten Muster entlang der Zwischenschicht umfasst.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 106, wobei wenigstens eine der mehreren Säulen eine Fläche im Bereich von (10 Mikron)² bis (100 Mikron)² aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 106, wobei wenigstens eine der mehreren Säulen eine Höhe im Bereich von 50 Mikron bis 2 Millimeter aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 106, wobei wenigstens zwei der mehreren Säulen um eine Distanz im Bereich von 10 bis 150 Mikron voneinander beabstandet sind.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 106, wobei wenigstens eine der mehreren Säulen wenigstens eine variierende Abmessung entlang einer zuvor festgelegten Richtung aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 88, das des Weiteren umfasst, wenigstens einen Abschnitt der Zwischenschicht mit einer aufgerauten Oberfläche zu versehen.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 88, wobei die zweite Schicht aus einer mikroporösen Struktur hergestellt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 112, wobei die poröse Mikrostruktur eine Porosität im Bereich von 50 bis 80 Prozent aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 112, wobei die poröse Mikrostruktur eine durchschnittliche Porengröße im Bereich von 10 bis 200 Mikron aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 112, wobei die poröse Mikrostruktur eine Höhe im Bereich von 0,25 bis 2,00 Millimetern aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 88, das des Weiteren das Ausbilden mehrerer Mikrokanäle auf der ersten Schicht umfasst.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 116, wobei wenigstens einer der mehreren Mikrokanäle eine Fläche im Bereich von (10 Mikron)² bis (100 Mikron)² aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 116, wobei wenigstens einer der mehreren Mikrokanäle eine Höhe im Bereich von 50 Mikron bis 2 Millimetern aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 116, wobei wenigstens zwei der mehreren Mikrokanäle um eine Distanz im Bereich von 10 bis 150 Mikron voneinander beabstandet sind.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 116, wobei wenigstens einer der mehreren Mikrokanäle eine Breite im Bereich von 10 bis 100 Mikron aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 88, wobei die erste Schicht mit der Wärmequelle verbunden ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 88, wobei die erste Schicht integral mit der Wärmequelle ausgebildet ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 88, wobei es sich bei der Wärmequelle um einen integrierten Schaltkreis handelt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 88, das des Weiteren umfasst, ein thermoelektrisches Element zwischen der ersten Schicht und der Wärmequelle anzuordnen, wobei das thermoelektrische Element elektrisch an eine Energiequelle angeschlossen ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 124, wobei das thermoelektrische Element integral innerhalb des Wärmetauschers ausgebildet ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 124, wobei das thermoelektrische Element integral innerhalb der Wärmequelle ausgebildet ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 124, wobei das thermoelektrische Element mit dem Wärmetauscher und der Wärmequelle verbunden ist.