DE19710716C2 - Device for cooling electronic components - Google Patents

Device for cooling electronic components

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DE19710716C2 DE1997110716 DE19710716A DE19710716C2 DE 19710716 C2 DE19710716 C2 DE 19710716C2 DE 1997110716 DE1997110716 DE 1997110716 DE 19710716 A DE19710716 A DE 19710716A DE 19710716 C2 DE19710716 C2 DE 19710716C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kühlen von elektronischen Bauelementen, vorzugsweise Hochleistungslaserdioden, die als eine Mikrostrukturwärmesenke ausgebildet ist und eine Vielzahl von Einzelschichten aufweist und wenigstens eine Mikrokanalplatte mit einer Vielzahl von Mikrokanälen sowie einem Verteilerkanal, wenigstens eine Zwischenplatte mit einem oder mehreren Verbindungskanälen und wenigstens eine Sammelplatte mit einem oder mehreren Sammelkanälen vorsieht, wobei nach Aufeinanderfügen der Mikrokanalplatte, der Zwischenplatte und der Sammelplatte sowie dem Vorsehen einer die Einzelschichten abdeckende Deckel- und Grundplatte, abgeschlossene Kühlkanäle entstehen, durch die ein Kühlmedium leitbar ist, wobei das Kühlmedium durch eine Zulauföffnung in die Mikrostrukturwärmesenke hineingeleitet und durch eine Ablauföffnung aus dieser wieder hinausgeleitet wird. The invention relates to a device for cooling electronic Components, preferably high-power laser diodes, as one Microstructure heat sink is formed and a variety of individual layers has and at least one microchannel plate with a plurality of microchannels and a distribution channel, at least one intermediate plate with one or several connecting channels and at least one collector plate with one or provides several collecting channels, whereby after joining the Microchannel plate, the intermediate plate and the collecting plate and the provision a cover and base plate covering the individual layers, closed Cooling channels arise through which a cooling medium can be conducted, the cooling medium through an inlet opening into the microstructure heat sink and through an outlet opening is led out of this again.  

Die vorstehend genannte Kühlvorrichtung ist insbesondere im Zusammenhang mit wärmeerzeugenden Hochleistungsbauelementen zu sehen, insbesondere Laserstrahlquellen, die derzeit an der Schwelle zu einem Generationswechsel hin zu preisgünstigen Halbleiterlasern mit höheren Wirkungsgraden stehen. Gaslaser- und Lampen-gepumpte Festkörperlaser werden in vielen Anwendungsbereichen abgelöst durch sogenannte Hochleistungsdiodenlaser, abgekürzt HLDL, sowie Dioden- gepumpte Festkörperlaser, abgekürzt DPSSL. Leistungsstarke Diodenlaser setzen eine effiziente Abfuhr der bei der Anregung des aktiven Mediums entstehenden Verlustwärme von ca. 60% voraus. Dazu werden sogenannte aktiv gekühlte, d. h. von Wasser als Kühlmedium durchflossene Mikrostrukturkühler eingesetzt, auf die der eigentliche Diodenlaserbarren aufgelötet wird. Die Geometrie zur Führung des Kühlwasserstroms innerhalb der Mikrokühler läßt sich dabei in folgende Abschnitte unterteilen:
The cooling device mentioned above can be seen in particular in connection with heat-generating high-performance components, in particular laser beam sources which are currently on the threshold of a generation change to inexpensive semiconductor lasers with higher efficiencies. In many areas of application, gas laser and lamp-pumped solid-state lasers are replaced by so-called high-power diode lasers, abbreviated HLDL, and diode-pumped solid-state lasers, abbreviated DPSSL. Powerful diode lasers require an efficient dissipation of the heat loss of approx. 60% generated when the active medium is excited. For this purpose, so-called actively cooled microstructure coolers, through which water flows as a cooling medium, are used, onto which the actual diode laser bar is soldered. The geometry for guiding the cooling water flow within the micro cooler can be divided into the following sections:

  • - Die Zu- und Ablauföffnungen des Mikrokühlers, der in der Fachliteratur auch als Mikrokanalwärmesenke bezeichnet wird,- The inlet and outlet openings of the micro cooler, which is also in the specialist literature is referred to as a microchannel heat sink,
  • - denjenigen Teil, in dem der Großteil der Verlustwärme von dem Kühlkörper auf das Kühlwasser übertragen wird, im folgenden Mikrostruktur genannt, sowie- The part in which the majority of the heat loss from the heat sink is transferred to the cooling water, hereinafter called microstructure, as well
  • - diejenigen Strukturen, die die Zu- und Ablaufstellen mit den Mikrostrukturen verbinden, wie die sogenannten Versorgungsstrukturen oder Verbindungskanäle.- those structures that the entry and exit points with the microstructures connect, like the so-called supply structures or connecting channels.

Aus der DE 43 15 580 A1 ist eine gattungsgemäße Mikrokanalwärmesenke beschrieben, die den vorstehend genannten Aufbau zeigt. Die aus einer Vielzahl von einzelnen Lagen bzw. Schichten bestehenden Kühlkörper sind vorzugsweise aus einzelnen strukturierten übereinander angeordneten, 300 µm starken Kupferfolien gefertigt, die in geeigneter Weise übereinander geschichtet und miteinander verschweißt sind.DE 43 15 580 A1 describes a generic microchannel heat sink described, which shows the above structure. The from a variety of Individual layers or layers of heat sinks are preferably made of individual structured, superimposed, 300 µm thick copper foils manufactured in a suitable manner layered on top of each other and with each other are welded.

Der maximal mit einem derartigen Mikrokühler abführbare Wärmestrom bei einer gegebenen Grenztemperatur für den Laserdiodenbarren hängt unter anderem stark von dem zur Verfügung stehenden Kühlwasserdurchsatz durch die Mikrostruktur ab. The maximum heat flow that can be dissipated with such a microcooler at given limit temperature for the laser diode bar depends strongly among other things from the cooling water throughput available through the microstructure.  

Der Druckverlust über den Mikrostrukturkühler steigt in erster Näherung mit dem Quadrat der Durchflußmenge und ist entscheidend von der geometrischen Ausführung der Versorgungsstrukturen bzw. der Verbindungskanäle des Mikrokanalkühlers abhängig. Die Druckversorgung wird in der Regel durch externe Umwälzpumpen gewährleistet. Die äußeren Abmessungen des Mikrostrukturkühlers sind stark begrenzt und durch die entsprechende Größe der verwendeten Laserdioden bestimmt. Will man den Kühleffekt einer bekannten Mikrostrukturwärmesenke durch Steigerung der Kühlflüssigkeitsdurchsatzmenge erhöhen, so wird schnell die endliche Dichtigkeit des Kühlsystems erreicht, zumal Mikrokühler in an sich bekannter Weise aus einzelnen, übereinander gefügten Schichten bzw. Lagen zusammengesetzt sind deren gegenseitige Lagenverbindung nur eine endliche Festigkeit aufweist. Jede einzelne Lage bzw. Schicht der bekannten Mikrokanalwärmesenken weist eine festgelegte Schichtstärke auf und kann nur zweidimensional strukturiert werden. Erst durch die Schichtung verschiedener Lagen wird eine dreidimensionale Struktur erreicht, die sich jedoch durch scharfe Kanten und abrupte Übergänge in den Übergängen zwischen den einzelnen Lagen auszeichnet. Versuche zeigten, daß derartige scharfe Kanten und abrupte Übergänge 62% des Druckverlustes bei den herkömmlichen Wärmesenken ausmachen. Die restlichen Anteile des Druckverlustes fallen auf Stoßverluste, mit einem Beitrag von 26% und auf Reibungsverluste mit einem Beitrag von 13%.The pressure loss across the microstructure cooler increases with the first approximation Square of the flow rate and is critical of the geometric Execution of the supply structures or the connecting channels of the Microchannel cooler dependent. The pressure supply is usually by external Circulation pumps guaranteed. The external dimensions of the microstructure cooler are very limited and due to the size of the used Laser diodes determined. If you want the cooling effect of a known one Microstructure heat sink by increasing the coolant throughput increase, the final tightness of the cooling system is quickly achieved, especially Micro cooler in a known manner from individual, superimposed Layers or layers are composed of their mutual layer connection only has a finite strength. Every single layer or layer of the known Microchannel heat sinks have a defined layer thickness and can only be structured in two dimensions. Only by layering different layers a three-dimensional structure is achieved, which however is characterized by sharp edges and abrupt transitions in the transitions between the individual layers distinguished. Tests have shown that such sharp edges and abrupt Transitions 62% of the pressure drop in conventional heat sinks turn off. The remaining parts of the pressure drop are due to impact losses a contribution of 26% and on friction losses with a contribution of 13%.

Bei den herkömmlichen Mikrostrukturwärmesenken läßt sich bei einer Druckdifferenz über den Mikrostrukturkühler von 4 bar ein Kühlwasserdurchfluß von 500 ml pro Minute realisieren, wobei die maximale Wärmeabfuhr durch den Mikrostrukturkühler und damit die Laserleistung des Hochleistungsdiodenlasers deutlich begrenzt ist. Der Grund für die Durchfluß- und Leistungsbegrenzung liegt in der Gestaltung der Strömungsführung in der Versorgungsstruktur innerhalb des Mikrostrukturkühlers.In conventional microstructured heat sinks, a pressure difference can be used a cooling water flow of 500 ml per Realize minute, taking the maximum heat dissipation through the microstructure cooler and thus the laser power of the high-power diode laser is clearly limited. The reason for the flow and performance limitation lies in the design of the Flow guidance in the supply structure within the microstructure cooler.

Den vorstehenden Nachteil weisen auch die Kühlvorrichtungen für Laserdioden gemäß der DE 43 15 581 A1 sowie DE 195 06 093 A1 auf. The cooling devices for laser diodes also have the above disadvantage according to DE 43 15 581 A1 and DE 195 06 093 A1.  

So sieht das Kühlsystem der DE 43 15 581 A1 einen, als Deckelplatte ausgebildeten Kühlkörper vor, zwischen dessen einzelnen Kühlrippen Kühlflüssigkeit geleitet wird. Das in der DE 195 06 093 A1 dargestellte Kühlsystem besteht gemäß der Fig. 2 aus einer Vielzahl übereinander angeordnetes Einzelschichten, die in entsprechender Zusammensetzung einen, von einem Kühlmittel durchströmbaren Strömungskanal einschließen. Jedoch treten innerhalb des Strömungskanal erhöhte Strömungsverluste auf, wodurch die Kühlwirkung des Systems, herabgesetzt ist.For example, the cooling system of DE 43 15 581 A1 provides a cooling body designed as a cover plate, between the individual cooling fins of which cooling liquid is conducted. According to FIG. 2, the cooling system shown in DE 195 06 093 A1 consists of a large number of individual layers which are arranged one above the other and which, in an appropriate composition, include a flow channel through which a coolant can flow. However, increased flow losses occur within the flow channel, as a result of which the cooling effect of the system is reduced.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Kühlen von elektronischen Bauelementen, vorzugsweise Hochleistungslaserdioden, die als eine Mikrostrukturwärmesenke ausgebildet ist und eine Vielzahl von Einzelschichten aufweist und wenigstens eine Mikrokanalplatte mit einer Vielzahl von Mikrokanälen sowie einem Verteilerkanal, wenigstens eine Zwischenplatte mit einem oder mehreren Verbindungskanälen und wenigstens eine Sammelplatte mit einem oder mehreren Sammelkanälen vorsieht, wobei nach Aufeinanderfügen der Mikrokanalplatte, der Zwischenplatte und der Sammelplatte sowie dem Vorsehen einer die Einzelschichten abdeckenden Deckel- und Grundplatte, abgeschlossene Kühlkanäle entstehen, durch die ein Kühlmedium leitbar ist, wobei das Kühlmedium durch eine Zulauföffnung in die Mikrostrukturwärmesenke hineingeleitet und durch eine Ablauföffnung aus dieser wieder hinausgeleitet wird, derart weiterzubilden, daß bei Beibehaltung der äußeren Geometrie und unter Verwendung der bisher verwendeten Mikrostrukturen der Druckverlust, den das Kühlmedium beim Passieren durch die Mikrostrukturwärmesenke erfährt, erheblich gesenkt werden soll. Es soll unter Beibehaltung der bisher verwendeten Kühlaggregate der Durchfluß durch eine Wärmesenke erheblich gesteigert und der Wärmeübergangskoeffizient und damit der thermische Gesamtwiderstand wesentlich verbessert werden. Insbesondere soll an der bisher verwendeten Lagentechnik zum Aufbau derartiger Mikrostrukturwärmesenken festgehalten werden.The object of the invention is a device for cooling electronic Components, preferably high-power laser diodes, as one Microstructure heat sink is formed and a variety of individual layers has and at least one microchannel plate with a plurality of microchannels and a distribution channel, at least one intermediate plate with one or several connecting channels and at least one collector plate with one or provides several collecting channels, whereby after joining the Microchannel plate, the intermediate plate and the collecting plate and the provision a cover and base plate covering the individual layers, closed Cooling channels arise through which a cooling medium can be conducted, the cooling medium through an inlet opening into the microstructure heat sink and through an outlet opening is guided out of this again in such a way that while maintaining the outer geometry and using the previously used microstructures the pressure loss that the cooling medium when passing experienced by the microstructure heat sink, should be significantly reduced. It should while maintaining the previously used cooling units, the flow through Heat sink significantly increased and the heat transfer coefficient and thus the total thermal resistance can be significantly improved. In particular, should the layering technology previously used to build such Microstructure heat sinks are held.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft ausgestaltende Merkmale sind Gegenstand der Ansprüche 2 ff. The object underlying the invention is achieved in claim 1 specified. Features which advantageously design the inventive idea are Subject of claims 2 ff.  

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung der vorgenannten Gattung dadurch weitergebildet, daß in der Grundplatte die Zulauföffnung vorgesehen ist, daß sich an der Zulauföffnung ein Zulauf-Kühlkanal anschließt, der einerseits durch die Grundplatte und andererseits durch die Deckelplatte sowie die dazwischen befindliche Sammelplatte, Zwischenplatte und Mikrokanalplatte begrenzt ist, wobei die Sammelplatte sowie die Zwischenplatte im Zulauf-Kühlkanal jeweils eine Öffnung als Verbindungskanal mit einer stufenhaften und/oder abgeschrägten Kante aufweisen, die die Höhe des Zulauf-Kühlkanals durch den Betrag ihrer Dicken verkleinern. Zwischen der Zwischenplatte und Deckelplatte ist die Mikrokanalplatte eingebracht, die kammartig ausgebildete Mikrokanäle vorsieht, die unmittelbar an den durch die Mikrokanalplatte und die Deckelplatte begrenzten Zulauf-Kühlkanal anschließen. Ferner ist ein die Zwischenplatte durchsetzender Durchgangskanal vorgesehen, der unmittelbar an die kammartig ausgebildeten Mikrokanäle angrenzt und in der Ebene der Sammelplatte mündet. Im Anschluß an den Durchgangskanal ist der Ablauf-Kühlkanal in der Ebene der Sammelplatte durch die Zwischenplatte und die Grundplatte begrenzt. Schließlich weist Zwischenplatte sowie die Mikrokanalplatte im Ablauf-Kühlkanal jeweils eine weitere Öffnung als Verbindungskanal mit einer stufenhaften und/oder abgeschrägten Kante auf, die die Höhe des Ablauf-Kühlkanals durch den Betrag ihrer Dicken vergrößern. In der Deckelplatte ist letztlich die Ablauföffnung vorgesehen, die sich an den Ablauf- Kühlkanal anschließt.According to the invention, a device of the aforementioned type is thereby further developed that the inlet opening is provided in the base plate that the inlet opening is connected to an inlet cooling duct, which on the one hand through the Base plate and on the other hand through the cover plate and in between located collector plate, intermediate plate and microchannel plate is limited, wherein the collector plate and the intermediate plate in the inlet cooling duct each have an opening as a connecting channel with a stepped and / or bevelled edge have the height of the inlet cooling channel by the amount of their thicknesses downsize. The microchannel plate is between the intermediate plate and the cover plate introduced, which provides comb-shaped microchannels that directly the inlet cooling duct delimited by the microchannel plate and the cover plate connect. Furthermore, there is a through-channel passing through the intermediate plate provided that directly adjoins the comb-like microchannels and flows into the plane of the collecting plate. Following the through channel is the drain cooling channel in the level of the collector plate through the intermediate plate and limited the base plate. Finally, the intermediate plate as well as the Microchannel plate in the drain cooling channel each have a further opening Connection channel with a stepped and / or beveled edge on the Increase the height of the outlet cooling duct by the amount of its thickness. In the Cover plate is ultimately provided the drain opening, which is located on the drain Cooling duct connects.

Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, daß der größte Druckverlust, den die Kühlflüssigkeit beim Durchgang durch die Mikrostrukturwärmesenke erleidet, im Bereich der Verteilerstrukturen bzw. Verbindungskanäle auftritt. Erfindungsgemäß wird genau dieser Bereich der Mikrostrukturwärmesenke durch entsprechende Ausbildung der Zwischenplatte derart modifiziert, so daß die Zwischenplatte der die Mikrostrukturwärmesenke durchfließenden Kühlflüssigkeit eine Stufe entgegensetzt, so daß der Strömungsquerschnitt durch den Verbindungskanal durch entsprechende Strukturierung der Zwischenplatte sukzessive vom großen Eintrittsquerschnitt hin zum Querschnitt der Mikrostruktur überführt wird. Bei Verwendung von mehr als einer Zwischenplatte, kann eine gleichmäßigere Anpassung der jeweiligen Querschnittsüberführung durch unterschiedliche Ausbildung der Zwischenplatten erfolgen.The invention is based in particular on the knowledge that the largest Pressure loss that the coolant passes through the Microstructure heat sink suffers in the area of the distributor structures or Connection channels occurs. According to the invention, this is exactly the area Microstructure heat sink through appropriate design of the intermediate plate modified so that the intermediate plate of the microstructure heat sink flowing cooling liquid opposes a stage so that the Flow cross section through the connecting channel through appropriate The intermediate plate is structured successively from the large inlet cross-section  is transferred to the cross section of the microstructure. When using more than an intermediate plate, a more uniform adjustment of the respective Cross-section transfer due to different design of the intermediate plates respectively.

Erfindungsgemäß sind wenigstens die Zwischenplatten derart strukturiert, daß sie Öffnungen aufweisen, die sogenannten Verbindungskanäle, durch die die Kühlflüssigkeit von einer Lage in die nächste der Mikrostrukturwärmesenke fließt und die wenigstens eine Übergangsstruktur in Form einer Kante vorsehen, die geradlinig oder gebogen ausgebildet ist. Die Öffnungsgröße sowie Form und Länge der Kante jeder einzelnen Zwischenplatte variiert von einer Zwischenplatte zur unmittelbar nächstliegenden Zwischenplatte in der Weise, daß Öffnungsgröße sowie Kantenform und -länge entweder schrittweise vergrößert oder verkleinert werden.According to the invention, at least the intermediate plates are structured such that they Have openings, the so-called connecting channels through which the Coolant flows from one layer to the next of the microstructured heat sink and that provide at least one transition structure in the form of an edge that is straight or is curved. The opening size as well as the shape and length of the edge each individual intermediate plate varies from one intermediate plate to the next nearest intermediate plate in such a way that opening size as well as edge shape and length can either be increased or decreased gradually.

Im Falle der Strömungsquerschnittsreduzierung vom Eintrittsquerschnitt hin zum Mikrokanalquerschnitt wird der Strömungsquerschnitt von Lage zu Lage um jeweils die Dicke einer Zwischenplatte multipliziert mit der Länge der von der Kühlflüssigkeit überströmten Kante bzw. Übergangsstruktur reduziert.In the case of a reduction in flow cross-section from the inlet cross-section to Micro-channel cross-section is the flow cross-section from layer to layer by the thickness of an intermediate plate multiplied by the length of the coolant overflowed edge or transition structure reduced.

Auch weisen vorzugsweise die Mikrokanalplatte sowie die Sammelplatte eine Übergangsstruktur auf, die entsprechend an die Übergangsstrukturen der obersten bzw. untersten Zwischenplatte angepaßt ist.The microchannel plate and the collecting plate preferably also have one Transitional structure that corresponds to the transition structures of the top one or the lowest intermediate plate is adapted.

Ferner ist festgestellt worden, daß neben der sukzessiven Strömungsquerschnittsanpassung zur Druckverlustreduzierung die Übergangsstrukturen zur gezielten Bildung von Strömungswirbeln innerhalb des Kühlflüssigkeitsstroms dienen, die bei geeigneter Positionierung und Dimensionierung zu einer Verbesserung der Strömungseigenschaften der Kühlflüssigkeit durch die Mikrostrukturwärmesenke beitragen können.It has also been found that in addition to the successive Flow cross-section adjustment to reduce the pressure loss Transitional structures for the targeted formation of flow vortices within the Coolant flow, which with appropriate positioning and Sizing to improve the flow properties of the Coolant through the microstructure heat sink can contribute.

Die Erfindung soll unter Verwendung eines Ausführungsbeispieles ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand der nachstehenden Figuren erläutert werden. Es zeigen:The invention is intended to be used using an exemplary embodiment without Limitation of the general inventive concept based on the following Figures are explained. Show it:

Fig. 1 perspektivische Draufsicht auf eine Mikrokanalplatte mit den darunter befindlichen Zwischenplatten, Fig. 1 top perspective view of a microchannel plate with the underlying intermediate plates,

Fig. 2 perspektivische Draufsicht auf eine Sammelplatte mit den darunter befindlichen Zwischenplatten, FIG. 2 perspective view of a collection plate with the underlying intermediate plates,

Fig. 3 Überlagerungsdarstellung von fünf erfindungsgemäß ausgebildeten Zwischenplatten, Fig. 3 superimposition display of five inventively designed intermediate plates,

Fig. 4a und b Draufsicht auf eine Grund- und Deckelplatte, FIG. 4a and b top plan view of a base and cover plate,

Fig. 5 Verlauf des Strömungsquerschnittes in einer Wärmesenke und Fig. 5 course of the flow cross section in a heat sink and

Fig. 6 Druckverlustkennlinien von Standard- und optimierten Mikrostrukturwärmesenken Fig. 6 pressure loss characteristics of standard and optimized microstructured heat sinks

Die in Fig. 1 dargestellte Mikrostrukturwärmesenke besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer Grundplatte 1, einer Sammelplatte 2, fünf Zwischenplatten 3 bis 7 sowie einer Mikrokanalplatte 8.In the exemplary embodiment shown, the microstructured heat sink shown in FIG. 1 consists of a base plate 1 , a collecting plate 2 , five intermediate plates 3 to 7 and a microchannel plate 8 .

Auf die Deckelplatte ist im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 verzichtet worden, wodurch eine perspektivische Einsicht in den inneren Aufbau der Mikrostrukturwärmesenke möglich ist. Die Grund- und Deckelplatte 1 und 13 sind in den Fig. 4a und 4b dargestellt und weisen jeweils eine Öffnung auf, die sogenannte Zulauföffnung 9 bzw. die Ablauföffnung 12.In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the cover plate has been dispensed with, which enables a perspective view of the internal structure of the microstructured heat sink. The base and cover plates 1 and 13 are shown in FIGS. 4a and 4b and each have an opening, the so-called inlet opening 9 and the outlet opening 12 .

Im dargestellten Beispiel der Fig. 1 wird Kühlflüssigkeit durch die Zulauföffnung 9 der Grundplatte 1 senkrecht zur Zeichenebene von unten nach oben in die Mikrokanalwärmesenke eingeleitet und durch die nicht dargestellte Deckelplatte in Richtung der stufenförmigen Kontur (siehe Pfeil) umgelenkt.In the example shown in FIG. 1, cooling liquid is introduced into the microchannel heat sink through the inlet opening 9 of the base plate 1 perpendicularly to the plane of the drawing, from below, and is deflected in the direction of the step-shaped contour (see arrow) by the cover plate (not shown).

Die Kühlflüssigkeit fließt über die aufsteigende Treppenstruktur, die sich aus der Übereinanderschichtung der Zwischenplatten 3 bis 7 ergibt, auf die oberste Zwischenplatte 6 an der sie durch die nicht dargestellte Deckelplatte nach vorne in Richtung der Mikrokanäle 10 umgelenkt wird. Die Mikrokanäle 10 sind als eine Art Kammstruktur ausgebildet, in deren Zwischenräume die Kühlflüssigkeit eindringen kann. Im hinteren Bereich der Kammstruktur ist unter dieser ein rechteckiger Durchgangskanal 11 vorgesehen, der zum einen alle Zwischenplatten 3 bis 7 durchsetzt und in der Ebene der Sammelplatte 2 mündet. Wie später zu Fig. 2 ausgeführt wird, wird die durch den rechteckigen Durchgangskanal 11 nach unten abfließende Kühlflüssigkeit durch die Grundplatte 1 in der Ebene der Sammelplatte nach vorn umgelenkt, so daß die Kühlflüssigkeit durch den in Fig. 1 dargestellten Austrittskanal 12 nach oben senkrecht zur Zeichenebene wieder austritt. Zusätzlich zu den Zwischenplatten 3 bis 7 weist auch die Sammelplatte 2 einen Verbindungskanal mit einer Übergangsstruktur als Kante auf, vergleichbar zu dem aus Fig. 1 entnehmbaren Verbindungskanal der Mikrokanalplatte 8 (siehe Öffnung des Austrittskanals 12).The cooling liquid flows over the ascending staircase structure, which results from the superimposition of the intermediate plates 3 to 7 , onto the uppermost intermediate plate 6 , where it is deflected forward by the cover plate, not shown, in the direction of the microchannels 10 . The microchannels 10 are designed as a kind of comb structure, in the spaces between which the cooling liquid can penetrate. In the rear area of the comb structure, a rectangular through-channel 11 is provided below it, which on the one hand penetrates all intermediate plates 3 to 7 and opens out in the plane of the collecting plate 2 . As will be explained later in relation to FIG. 2, the cooling liquid flowing down through the rectangular through-channel 11 is deflected forward by the base plate 1 in the plane of the collecting plate, so that the cooling liquid is directed upwards through the outlet channel 12 shown in FIG Drawing level exits again. In addition to the intermediate plates 3 to 7 , the collecting plate 2 also has a connecting channel with a transition structure as an edge, comparable to the connecting channel of the micro-channel plate 8 that can be seen in FIG. 1 (see opening of the outlet channel 12 ).

Erfindungsgemäß weisen zumindest die Zwischenplatten Übergangskonturen auf, die für die, die Mikrostrukturwärmesenke durchfließende Kühlflüssigkeit eine Strömungsquerschnittsveränderung bewirken. Durch diese in der Fig. 1 sich treppenförmig ergebende Kontur aus der Übereinanderfügung der Zwischenplatten 3 bis 7 wird der Eintrittsquerschnitt, der sich ergibt in Fig. 1 entlang der Schnittlinie A in Blickrichtung zur Treppenstruktur (siehe hierzu auch eingetragene Pfeilrichtung) sukzessive verringert, bis hin zum flach verlaufenden Strömungsquerschnitt oberhalb der Zwischenplatte 7, der sich nunmehr ausschließlich aus der Höhe h der Mikrokanäle sowie deren Gesamtbreite b ergibt. So wird der Eintrittsquerschnitt im Bereich der Zulauföffnung, der in aller Regel eine Breite von 5 mm und eine Höhe von 9 mm aufweist, durch die erfindungsgemäße Treppenstruktur sukzessive auf den Strömungsquerschnitt im Bereich der Mikrostrukturplatte mit Abmessungen von einer Breite von 10 mm und eine Höhe von 0,3 mm reduziert. Zwar wäre eine kontinuierliche Überführung der Querschnitte der theoretisch optimale Weg, jedoch ist dieser aufgrund der Lagenstruktur nicht möglich. Um die Querschnitte trotz Lagenstruktur möglichst optimal zu verbinden, werden die wasserführenden Strukturen innerhalb des Verbindungskanals derart ausgeführt, daß die Unterschiede der einzelnen Strömungsquerschnitte nur gering ausfallen. Durch die Vorsehung einer größeren Anzahl von wasserführenden Zwischenplatten kann der Unterschied zwischen den einzelnen Querschnitten verkleinert werden, um so der idealen Strömungsführung möglichst nahezukommen. Eine größere Anzahl von Zwischenplatten kann entweder durch eine größere Gesamthöhe des Kühlers oder durch eine Verkleinerung der Plattenstärke erzielt werden.According to the invention, at least the intermediate plates have transition contours which bring about a change in the flow cross-section for the cooling liquid flowing through the microstructure heat sink. This step-shaped contour in FIG. 1 from the superimposition of the intermediate plates 3 to 7 successively reduces the entry cross-section, which results in FIG. 1 along the section line A in the direction of view to the stair structure (see also arrow direction entered), down to to the flat flow cross-section above the intermediate plate 7 , which now results exclusively from the height h of the microchannels and their total width b. Thus, the inlet cross-section in the area of the inlet opening, which generally has a width of 5 mm and a height of 9 mm, is successively increased to the flow cross-section in the area of the microstructure plate with dimensions of 10 mm and a height by the inventive staircase structure 0.3 mm reduced. A continuous transfer of the cross-sections would be the theoretically optimal route, but this is not possible due to the layer structure. In order to connect the cross sections as optimally as possible despite the layer structure, the water-carrying structures within the connecting channel are designed in such a way that the differences between the individual flow cross sections are only slight. By providing a larger number of water-carrying intermediate plates, the difference between the individual cross sections can be reduced in order to come as close as possible to the ideal flow guidance. A larger number of intermediate plates can be achieved either by increasing the overall height of the cooler or by reducing the plate thickness.

Neben der Erkenntnis, daß Druckverluste durch eine stufenweise Anpassung der Strömungsquerschnitte reduziert werden können, verursachen die einzelnen Stufenabschnitte lokale Verwirbelungen innerhalb der Kühlflüssigkeit, die gezielt zu einer optimalen Strömungsführung beitragen können.In addition to the knowledge that pressure losses through a gradual adjustment of the Flow cross sections can be reduced, cause the individual Step sections local turbulences within the coolant that are targeted to can contribute to optimal flow control.

In der gleichen Weise, wie der Eintrittsquerschnitt stufenweise an den Strömungsquerschnitt in der Mikrokanalplatte angenähert wird, ist in Fig. 2 dargestellt, daß in ähnlicher Weise in der Ebene der Sammelplatte 2 der Druckverlust in der Strömungsrückführung ebenso durch stufenweise Anpassung der Strömungsquerschnitte reduziert werden kann. In Fig. 2 ist die Draufsicht auf die Sammelplatte 2 dargestellt, wobei die Grundplatte 1 für den Einblick in die innere Struktur weggelassen ist. Die unterste Lage bildet nun die Deckelplatte 13. Die Ansicht der in Fig. 2 dargestellten Mikrostrukturwärmesenke ergibt sich aus der umgekehrten Draufsicht verglichen mit der Darstellung in Fig. 1.In the same way as the inlet cross section is gradually approximated to the flow cross section in the microchannel plate, it is shown in FIG. 2 that in a similar manner in the plane of the collecting plate 2 the pressure loss in the flow return can also be reduced by gradually adapting the flow cross sections. In FIG. 2, the plan view is displayed on the collection plate 2, the base plate 1 omitted for the insight in the internal structure. The bottom layer now forms the cover plate 13 . The view of the microstructured heat sink shown in FIG. 2 results from the reverse top view compared to the illustration in FIG. 1.

Die Kühlflüssigkeit tritt in der in Fig. 2 dargestellten Ansicht senkrecht nach oben aus der Zeichenebene aus der rechteckigen Öffnung 11 heraus. Aufgrund der nicht dargestellten Grundplatte 1 wird die Kühlflüssigkeit entlang des Sammelkanals 14 in Richtung der abfallenden Stufenstruktur abgelenkt (siehe Pfeilrichtungen). Die Stufenstruktur setzt sich wiederum zusammen aus der Übereinanderfügung der entsprechend ausgebildeten Zwischenplatten 3 bis 7 sowie der untersten Mikrostrukturplatte 8. Die Kühlflüssigkeit fließt sodann durch den Öffnungsbereich 12 senkrecht nach unten aus der Zeichenebene.In the view shown in FIG. 2, the cooling liquid emerges vertically upwards from the plane of the drawing out of the rectangular opening 11 . Due to the base plate 1 , not shown, the cooling liquid is deflected along the collecting channel 14 in the direction of the sloping step structure (see arrow directions). The step structure is in turn composed of the stacking of the appropriately designed intermediate plates 3 to 7 and the lowermost microstructure plate 8 . The coolant then flows through the opening area 12 vertically downward from the plane of the drawing.

Zur besseren Sichtbarmachung der Strukturierung jeder der einzelnen Zwischenplatten 3 bis 7 ist in Fig. 3 eine Darstellung in Überlagerungstechnik gezeigt. Die einzelnen Zwischenplatten sind dabei von der Zwischenplatte 3 bis 7 von links nach rechts um ein Stück versetzt übereinandergezeichnet dargestellt. Zu erkennen sind die stufenweise vergrößerten Verbindungskanäle für den Zulaufbereich (3', 4', 5', 6', 7') sowie für der Ablaufbereich (3", 4", 5", 6", 7") sowie die rechteckige Öffnung 11 in jeder einzelnen Zwischenplatte.In order to make the structuring of each of the individual intermediate plates 3 to 7 more visible, a representation in the superimposition technique is shown in FIG. 3. The individual intermediate plates are shown from the intermediate plate 3 to 7 from left to right, one piece offset from the other. The incrementally enlarged connecting channels for the inlet area ( 3 ', 4 ', 5 ', 6 ', 7 ') as well as for the outlet area ( 3 ", 4 ", 5 ", 6 ", 7 ") and the rectangular opening can be seen 11 in each individual intermediate plate.

In Fig. 4a ist die Grundplatte 1 mit der Zulauföffnung 9 und in Fig. 4b ist die Deckelplatte 13 mit der Ablauföffnung 12 dargestellt.In Fig. 4a, the base plate 1 having the inlet opening 9 and in Fig. 4b, the cover plate 13 is shown with the discharge opening 12.

Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Zwischenplatten und den sich daraus ergebenden Versorgungsstrukturen bzw. Verbindungskanälen wird es ermöglicht, unter Beibehaltung der äußeren Geometrie der Wärmesenken und unter Verwendung der bisher verwendeten Mikrostrukturen den Druckverlust einer einzelnen Wärmesenke um eine Größenordnung zu senken. Damit ist ein Betrieb des Diodenlasers mit einfachen und preiswerten Peripherie-Aggregaten zur Kühlung möglich geworden. Alternativ kann unter Beibehaltung der bisher verwendeten Kühlaggregate der Durchfluß durch eine Wärmesenke erheblich gesteigert und der Wärmeübergangskoeffizient, und damit der thermische Gesamtwiderstand, wesentlich verbessert werden.With the inventive design of the intermediate plates and the resulting resulting supply structures or connection channels are made possible while maintaining the outer geometry of the heat sinks and under Using the previously used microstructures, the pressure loss of a individual heat sink by an order of magnitude. This is an operation of the diode laser with simple and inexpensive peripheral units for cooling become possible. Alternatively, while maintaining the previously used Cooling units significantly increased the flow through a heat sink and the Heat transfer coefficient, and thus the total thermal resistance, be significantly improved.

Durch speziell aufeinander abgestimmte und strukturierte Zwischenplatten kann die bisher verwendete Lagentechnik ohne die eingangs erwähnten strömungsmechanischen Nachteile beibehalten werden.Thanks to specially coordinated and structured intermediate plates, the Layer technology previously used without the aforementioned fluid-mechanical disadvantages are maintained.

Mikrostrukturkühler nach dem Stand der Technik haben, bei einer abzutransportierenden Wärme von 70 Watt, folgende typische Betriebsdaten:
State-of-the-art microstructure coolers have the following typical operating data with a heat of 70 watts to be removed:

  • - Druckverlust: 5 bar- Pressure drop: 5 bar
  • - Durchfluß: 500 ml/min- Flow: 500 ml / min
  • - Wärmeübergangskoeffizient: 87500 W/m2K- Heat transfer coefficient: 87500 W / m 2 K
  • - Temperaturerhöhung: 29,99 K- Temperature increase: 29.99 K.
  • - Thermischer Gesamtwiderstand: 0,43 K/W- Total thermal resistance: 0.43 K / W

(bezogen auf die Aufstandsfläche des Diodenlaserbarrens)(based on the contact area of the diode laser bar)

Mikrostrukturkühler mit der erfindungsgemäßen Versorgungsstruktur haben bei 70 Watt Verlustwärme entweder folgende Betriebsdaten:
Microstructure coolers with the supply structure according to the invention either have the following operating data at 70 watt heat loss:

  • - Druckverlust 0,5 bar- pressure drop 0.5 bar
  • - Durchfluß 500 ml/min- flow rate 500 ml / min
  • - Wärmeübergangskoeffizient: 87500 W/m2K- Heat transfer coefficient: 87500 W / m 2 K
  • - Temperaturerhöhung: 29,99 K- Temperature increase: 29.99 K.
  • - Thermischer Gesamtwiderstand: 0,43 K/W- Total thermal resistance: 0.43 K / W

(bezogen auf die Aufstandsfläche des Diodenlaserbarrens)
oder:(based on the contact area of the diode laser bar)
or:

  • - Druckverlust 5 bar- pressure drop 5 bar
  • - Durchfluß 1200 ml/min- flow 1200 ml / min
  • - Wärmeübergangskoeffizient: 200000 W/m2K- Heat transfer coefficient: 200000 W / m 2 K.
  • - Temperaturerhöhung: 21,7 K- Temperature increase: 21.7 K.
  • - Thermischer Gesamtwiderstand: 0,31 K/W- Total thermal resistance: 0.31 K / W

(bezogen auf die Aufstandsfläche des Diodenlaserbarrens)(based on the contact area of the diode laser bar)

Mit der erfindungsgemäßen Ausführung der Mikrostrukturwärmesenken kann die Ursache für die strömungsmechanischen Widerstände der Versorgungsstruktur deutlich gesenkt werden. Neben der Reduzierung der Verluste durch Umlenkungen und unstetige Querschnittsänderungen konnte auch eine insgesamt geringere Strömungslänge realisiert werden, welches eine Reduzierung der Reibungsverluste zur Folge hat (siehe hierzu Fig. 5).With the design of the microstructure heat sinks according to the invention, the cause of the fluidic resistance of the supply structure can be significantly reduced. In addition to the reduction of losses due to deflections and discontinuous changes in cross-section, an overall shorter flow length could also be realized, which leads to a reduction in friction losses (see FIG. 5).

Der Diagrammverlauf gemäß der durchgezogenen Linie entspricht dem Strömungsquerschnitt bezogen auf die Strömungslänge durch eine Standard- Mikrostrukturwärmesenke. Der gepunktete Graph entspricht einer erfindungsgemäß optimierten Mikrostrukturwärmesenke. Die Pfeile geben jeweils den Bereich der Mikrokanäle an.The course of the diagram according to the solid line corresponds to that Flow cross-section related to the flow length through a standard Microstructure heat sink. The dotted graph corresponds to one according to the invention optimized microstructure heat sink. The arrows indicate the area of the Microchannels.

Durch die Reduzierung der Strömungswiderstände kann also entweder bei einem Durchfluß von 500 ml/min und einem thermischen Gesamtwiderstand von 0,43 K/W der Druckverlust um den Faktor 10 gesenkt werden oder aber bei einem unveränderten Druckverlust der thermische Gesamtwiderstand auf 0,31 K/W gesenkt werden.By reducing the flow resistance, one can either Flow of 500 ml / min and a total thermal resistance of 0.43 K / W the pressure loss can be reduced by a factor of 10 or at one unchanged pressure loss the total thermal resistance is reduced to 0.31 K / W become.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Kühlen von elektronischen Bauelementen, die als eine Mikrostrukturwärmesenke ausgebildet ist und eine Vielzahl von Einzelschichten aufweist und wenigstens
  • - eine Mikrokanalplatte (8) mit einer Vielzahl von Mikrokanälen (10),
  • - eine Zwischenplatte (3) und
  • - eine Sammelplatte (2),
vorsieht, wobei nach Aufeinanderfügen der Sammelplatte (2), Zwischenplatte (3) und Mikrokanalplatte (8) sowie dem Vorsehen einer, die Einzelschichten abdeckenden Grund- (1) und Deckelplatte (13), abgeschlossene Zu- und Ablauf-Kühlkanäle entstehen, durch die ein Kühlmedium leitbar ist, wobei das Kühlmedium durch eine Zulauföffnung (9) in die Mikrostrukturwärmesenke hineingeleitet und durch eine Ablauföffnung (12) aus dieser wieder hinausgeleitet wird,
wobei in der Grundplatte (1) die Zulauföffnung (9) vorgesehen ist, an die sich ein Zulauf-Kühlkanal anschließt, der einerseits durch die Grundplatte (1) und andererseits durch die Deckelplatte (13) sowie die dazwischen befindliche Sammelplatte (2), Zwischenplatte (3) und Mikrokanalplatte (8) begrenzt ist, wobei die Sammelplatte (2) sowie die Zwischenplatte (3) im Zulauf-Kühlkanal jeweils eine Öffnung als Verbindungskanal mit einer stufenhaften und/oder abgeschrägten Kante aufweisen, die die Höhe des Zulauf-Kühlkanals durch den Betrag ihrer Dicken verkleinern, und
die zwischen der Zwischenplatte (3) und Deckelplatte (13) eingebrachte Mikrokanalplatte (8) kammartig ausgebildete Mikrokanäle vorsieht, die unmittelbar an den durch die Mikrokanalplatte (8) und die Deckelplatte (13) begrenzten Zulauf- Kühlkanal anschließen, wobei ferner ein die Zwischenplatte (3) durchsetzender Durchgangskanal (11) vorgesehen ist, der unmittelbar an die kammartig ausgebildeten Mikrokanäle (10) angrenzt und in der Ebene der Sammelplatte (2) mündet, und im Anschluß an den Durchgangskanal (11) der Ablauf-Kühlkanal in der Ebene der Sammelplatte (2) durch die Zwischenplatte (3) und die Grundplatte (13) begrenzt ist, und wobei schließlich die Zwischenplatte (3) sowie die Mikrokanalplatte (8) im Ablauf-Kühlkanal jeweils eine weitere Öffnung als Verbindungskanal mit einer stufenhaften und/oder abgeschrägten Kante aufweisen, die die Höhe des Ablauf-Kühlkanals durch den Betrag ihrer Dicken vergrößern, und in der Deckelplatte (13) die Ablauföffnung (12) vorgesehen ist, die sich an den Ablauf-Kühlkanal anschließt.1. Device for cooling electronic components, which is designed as a microstructured heat sink and has a plurality of individual layers and at least
  • a microchannel plate ( 8 ) with a multiplicity of microchannels ( 10 ),
  • - An intermediate plate ( 3 ) and
  • - a collecting plate ( 2 ),
provides, after joining the collecting plate ( 2 ), intermediate plate ( 3 ) and microchannel plate ( 8 ) as well as the provision of a base plate ( 1 ) and cover plate ( 13 ) covering the individual layers, completed inlet and outlet cooling channels, through which a cooling medium can be conducted, the cooling medium being introduced into the microstructure heat sink through an inlet opening ( 9 ) and being led out of it again through an outlet opening ( 12 ),
The inlet opening ( 9 ) is provided in the base plate ( 1 ), to which an inlet cooling duct connects, which on the one hand through the base plate ( 1 ) and on the other hand through the cover plate ( 13 ) and the intermediate plate ( 2 ), intermediate plate ( 3 ) and microchannel plate ( 8 ) is limited, the collecting plate ( 2 ) and the intermediate plate ( 3 ) in the inlet cooling channel each having an opening as a connecting channel with a step-like and / or bevelled edge which defines the height of the inlet cooling channel reduce the amount of their thicknesses, and
the microchannel plate ( 8 ) introduced between the intermediate plate ( 3 ) and the cover plate ( 13 ) provides comb-like microchannels which directly connect to the inlet cooling duct delimited by the microchannel plate ( 8 ) and the cover plate ( 13 ), a further the intermediate plate ( 3 ) penetrating passage channel ( 11 ) is provided, which immediately adjoins the comb-shaped microchannels ( 10 ) and opens into the plane of the collecting plate ( 2 ), and following the through channel ( 11 ) the outlet cooling channel in the plane of the collecting plate ( 2 ) is delimited by the intermediate plate ( 3 ) and the base plate ( 13 ), and finally the intermediate plate ( 3 ) and the microchannel plate ( 8 ) each have a further opening in the outlet cooling duct as a connecting duct with a step-like and / or bevelled edge have, which increase the height of the drain cooling channel by the amount of their thicknesses, and in the cover plate ( 13 ) d he drain opening ( 12 ) is provided, which connects to the drain cooling channel. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zwischenplatten (3-7) vorgesehen sind, deren einzelne Öffnungen unterschiedlich groß ausgebildet sind, und daß die unterschiedlichen Größen der Öffnungen derart aufeinander abgestimmt sind, so daß sich nach Übereinanderfügen der Zwischenplatten (3-7) eine Stufenfolge mit gleichbleibendem oder unterschiedlich großem Stufenabstand ergibt.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that a plurality of intermediate plates ( 3-7 ) are provided, the individual openings of which are of different sizes, and that the different sizes of the openings are matched to one another so that after the intermediate plates ( 3 -7 ) results in a step sequence with the same or different step spacing. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Öffnungen der Zwischenplatten (3-7) geradlinig oder gebogen verlaufen.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the edges of the openings of the intermediate plates ( 3-7 ) are rectilinear or curved. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Bauelement eine Hochleistungslaserdiode ist.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the electronic component High power laser diode is.
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