DE10022972A1

DE10022972A1 - Mikrostruktur-Wärmetauscher und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10022972A1
Application number: DE10022972A
Authority: DE
Inventors: Norbert Breuer; Peter Satzger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-05-11
Filing date: 2000-05-11
Publication date: 2001-11-22
Also published as: EP1285213B1; ES2240457T3; JP2003533057A; WO2001086221A1; DE50105837D1; KR100758836B1; KR20020037331A; EP1285213A1

Abstract

Es wird ein Mikrostruktur-Wärmetauscher (5) mit einer von einer Flüssigkeit oder einem Gas durchströmten, insbesondere metallischen Hohlfaserstruktur (10) und einem die Hohlfaserstruktur (10) zumindest bereichsweise umgebenden Matrixköper (15) vorgeschlagen, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Der Matrixkörper (15) wird dabei von einem Graphitkörper, insbesondere von miteinander verpressten Graphitfolien gebildet. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Matrixkörper (15) in Form einer Platte ausgebildet und steht wärmeleitend mit einem zu kühlenden Bauteil (17) in Verbindung. Das vorgeschlagene Verfahren sieht vor, zunächst eine Hohlfaserstruktur (10) und mindestens einen ersten Matrixkörper (14) und mindestens einen zweiten Matrixteilkörper (14) bereitzustellen, von denen mindestens einer elastisch und/oder plastisch formbar und gut wärmeleitend ist. Danach werden dann die Hohlfaserstruktur (10) und die Matrixteilkörper (14) miteinander zu dem Mikrostruktur-Wärmeaustauscher (5) verpresst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrostruktur-Wärmetauscher und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Mikrostruk tur-Wärmetauschers nach der Gattung der unabhängigen Ansprü che.

Stand der Technik

Die Kühlung elektronischer Bauteile erfolgt bisher überwie gend durch Festkörperwärmeleitung über das Gehäuse oder ex terne Kühlkörper. Die abführbare Leistung ist dabei durch die Wärmeleitfähigkeit, die Wandstärken und die spezifische Oberfläche der eingesetzten Bauteile begrenzt. Sofern man fluidgekühlte Wärmetauscher einsetzt, tritt weiter bei der Kühlung elektronischer Bauteile das Problem der thermischen Ankopplung des Wärmetauschers an dieses Bauteil auf. Zudem sind fluidgekühlte Wärmetauscher bisher deutlich teurer als Wärmetauscher auf Basis herkömmlicher Konzepte.

Ein erster Ansatz zur Realisierung von Mikrostruktur- Wärmetauschern mit definierter Fluidführung durch die Kapil larinnenräume von metallischen Hohlfaserstrukturen ist in der Anmeldung DE 199 10 985.0 vorgeschlagen worden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung eines Mikrostruktur-Wärmetauschers, der einerseits eine gute ther mische Ankopplung an das zu kühlende Bauteil ermöglicht, und andererseits günstig zu produzieren ist, sowie die Bereit stellung eines dazu geeigneten, einfachen Herstellungsver fahrens.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Mikrostruktur-Wärmetauscher und das er findungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass es damit in einfacher Weise möglich ist, eine große Anzahl kleiner Röhrchen bzw. Hohlfasern innerhalb einer Hohlfaserstruktur parallel zu schalten, und damit auf Grund der entstehenden großen Wärmetauscherfläche eine hohe Wärmeleistung zu übertragen bzw. abzuführen. Weiter ist vor teilhaft, dass durch die Verwendung von Graphit als Matrix körper eine besonders gute thermische Ankoppelung bzw. Wär meleitfähigkeit des erfindungsgemäßen Mikrostruktur- Wärmetauschers gegeben ist. Darüber hinaus ist die einge setzte Hohlfaserstruktur in einer Vielzahl von Varianten oder Strukturen herstellbar, und daher im Einzelfall in ein facher Weise an die jeweils gestellte Aufgabe anpassbar.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren zeichnet sich Einfachheit und Vielseitigkeit hinsichtlich der damit her stellbaren Mikrostruktur-Wärmetauscher aus. Weiter ist es sowohl für Graphit als auch andere elastische bzw. durch Pressen plastisch formbare Werkstoffe geeignet, die gleich zeitig eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist besonders vorteilhaft, wenn die eingesetzte Hohlfa serstruktur eine insbesondere regelmäßige Anordnung von me tallischen Röhren ist, die gasdurchlässig oder flüssigkeits durchlässig mit einer gemeinsamen Zufuhrleitung und einer gemeinsamen Abfuhrleitung in Verbindung stehen.

Als Matrixkörper eignet sich besonders vorteilhaft ein Gra phitkörper aus miteinander verpressten, vorzugsweise zuvor aus expandiertem Graphit hergestellten Graphitfolien, in die die insbesondere metallische Hohlfaserstruktur beim Verpres sen eingebettet worden ist. Dabei können vorteilhaft sowohl unstrukturierte, d. h. ebene Graphitfolien eingesetzt wer den, als auch Graphitfolien, die vor dem Verpressen mit ei ner der Anordnung der Röhren der Hohlfaserstruktur entspre chenden Negativstrukturierung versehen worden sind.

Hinsichtlich der thermischen Ankopplung eines zu kühlenden Bauteils an den Matrixkörper ist es weiter vorteilhaft, wenn dieser in Form einer Platte flächig ausgebildet ist, und durch Anpressen an das Kühlbauteil wärmeleitend mit diesem verbunden wird. Dieses Verpressen ist auf Grund der Elasti zität bzw. plastischen Formbarkeit des eingesetzten Graphit körpers besonders einfach, und es werden zudem mögliche Un ebenheiten am Kühlbauteil ausgeglichen, was zusätzlich zu einer verbesserten thermischen Ankopplung führt. Alternativ oder zusätzlich kann zur Verbesserung der thermischen An kopplung bzw. zur Verbesserung der Wärmeleitung zwischen dem Graphitkörper und dem zu kühlenden Bauteil auch eine thermi sche Leitpaste, beispielsweise in Form einer auf den flächi gen Graphitkörper aufgebrachten Leitschicht, eingesetzt wer den.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfol genden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine metallische Hohlfaserstruktur, Fig. 2a das Verpressen die ser Hohlfaserstruktur mit zwei Graphitfolien, Fig. 2b den nach dem Verpressen gemäß Fig. 2a erhaltenen Matrixkörper mit integrierter Hohlfaserstruktur und Fig. 3 einen Mi krostruktur-Wärmetauscher in Form einer Platte mit aufge brachter Kühlplatte.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung geht zunächst aus von einer metallischen Hohl faserstruktur 10 wie sie in der Anmeldung DE 199 10 985.0 in ähnlicher Form beschrieben worden ist. Insofern soll auf De tails zum Herstellungsprozess verzichtet werden.

Die Fig. 1 zeigt zunächst eine Hohlfaserstruktur 10 die ge mäß der Anmeldung DE 199 10 985.0 hergestellt worden ist. Diese weist eine Vielzahl von parallel zueinander angeordne ten metallischen Röhren 13 auf, die gasdurchgängig oder flüssigkeitsdurchgängig mit einer gemeinsamen Zufuhrleitung 12 und einer gemeinsamen Abfuhrleitung 11 in Verbindung ste hen. Die Röhren 13 und die Zufuhrleitung 12 bzw. die Abfuhr leitung 11 bestehen beispielsweise aus Nickel. Die Wandstär ke der Röhren 13 der Hohlfaserstruktur 10 gemäß Fig. 1 liegt zwischen 100 nm und 50 µm, insbesondere 500 nm bis 5 µm. Der mittlere Abstand der Röhren 13 der Hohlfaserstruk tur 10 gemäß Fig. 1 liegt üblicherweise zwischen 5 µm und 10 mm, insbesondere zwischen 20 µm und 200 µm.

Um aus der Mikrostruktur gemäß Fig. 1 nun einen Mikrostruk tur-Wärmetauscher 5 herzustellen, werden zunächst zwei Gra phitfolien 14 aus zuvor expandiertem Graphit vorbereitet, zwischen denen die Hohlfaserstruktur 10 angeordnet wird. Dies wird mit Hilfe der Fig. 2a erläutert.

Unter expandiertem Graphit wird dabei flockenartiger Graphit verstanden, der eine typische Schüttdichte von ca. 2 g/l bis 200 g/l aufweist, und der beispielsweise aus mit Säure ge tränkten Graphitplättchen, sogenanntem Graphitsalz, gebildet wurde, die bei hohen Temperaturen von beispielsweise 1200°C schockartig expandiert worden sind.

Die Hohlfaserstruktur 10 wird weiter bevorzugt derart zwi schen den Graphitfolien 14 platziert, dass die Röhren 13 zwischen den Folien 14 liegen, während die Abfuhrleitung 11 und die Zufuhrleitung 12 nicht von den Graphitfolien 14 be deckt wird.

Im Einzelnen ist gemäß Fig. 2a vorgesehen, die Hohlfaser struktur 10 zunächst zwischen zwei leicht gepressten Gra phitfolien 14 aus expandiertem Graphit anzuordnen, und an schließend diese beiden Graphitfolien 14 gemeinsam mit der Hohlfaserstruktur 10 zu verpressen. Bei diesem Verpressen ist auf Grund der Elastizität und der plastischen Formbar keit der Graphitfolien 14 kein zusätzlicher Binder erforder lich. Zudem gewährleistet die Elastizität der eingesetzten Graphitfolien 14 eine besonders gute thermische Ankoppelung der Röhren 13 an die Graphitfolien 14, so dass sich eine sehr effektive Wärmezufuhr bzw. Wärmeabfuhr aus dem nach dem Verpressen der Graphitfolien 14 mit der Hohlfaserstruktur 10 entstandenen Matrixkörper 15 ergibt. Der nach dem Verpressen entstandene Matrixkörper 15 in Form einer Platte ist dabei in Fig. 2b dargestellt.

Alternativ zu dem Verpressen von zwei ebenen Graphitfolien 14 gemäß Fig. 2a kann ebenso mindestens einer dieser beiden Graphitfolien vor dem Verpressen mit einer der Anordnung der Röhren 13 der Hohlfaserstruktur 10 entsprechenden Negativ strukturierung versehen werden. Auf diese Weise ist das Verpressen mit geringerer Presskraft möglich, und es verringert sich die Gefahr von durch das Verpressen an der Hohlfaser struktur 10 entstehenden Schäden. Die Negativstrukturierung mindestens einer der Graphitfolien 14 kann beispielsweise durch ein entsprechendes Prägen mit einer der Hohlfaser struktur 10 entsprechenden Druckstruktur bzw. einem entspre chenden Stempel erfolgen.

Es ist offensichtlich, dass sich das vorgestellte Herstel lungsverfahren für weitgehend beliebige Hohlfaserstrukturen 10 und neben Graphit auch für andere Matrixkörper bzw. Foli en als Matrixteilkörper vor dem Verpressen eignet, die so wohl elastisch sind bzw. plastisch formbar sind, als auch eine für Wärmetauscher ausreichend gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

Insofern ist der erfindungsgemäße Mikrostruktur- Wärmetauscher 5 gemäß dem erläuterten Ausführungsbeispiel auch nicht auf eine Fluidführung bzw. Gasführung gemäß Fig. 1 eingeschränkt.

Die Fig. 3 erläutert wie mit dem hergestellten Matrixkörper 15 eine Kühlung eines Kühlbauteiles in Form einer Kühlplatte 17 erfolgt. Dazu wird die Kühlplatte 17 durch einen geeigne ten Anpressdruck mit dem Matrixkörper 15 verpresst, wobei die Kühlplatte 17 thermisch an den Matrixkörper 15 angekop pelt wird. Die gute thermische Ankopplung ergibt sich dabei wieder durch die Elastizität und Wärmeleitfähigkeit des ein gesetzten Graphites. An Stelle der Kühlplatte 17 kann im Üb rigen auch ein elektronisches Leistungsbauteil wie bei spielsweise ein Transistor oder ein integrierter Schaltkreis vorgesehen sein, dessen elektrische Anschlüsse sich dann vorzugsweise auf der dem Matrixkörper 15 abgewandten Ober fläche befinden. Weiter kann gemäß Fig. 3 zur Verbesserung der thermischen Ankopplung zwischen Matrixkörper 15 und Kühlplatte 17 auch vorgesehen sein, dass auf dem Matrixkör per 15 eine Schicht aus einer thermischen Leitpaste 16 auf gebracht wird. Die Verwendung derartiger Leitpasten ist je doch in vielen Fällen nicht erwünscht, da sie einerseits ei ne kleinere thermische Leitfähigkeit als Graphit aufweisen, und andererseits vielfach viskos sind, so dass sie in Lang zeitstabilitätstests gelegentlich zum Verfließen neigen.

Zur Wärmezufuhr bzw. zur Wärmeabfuhr aus dem Mikrostruktur- Wärmetauscher 5 eignen sich eine Vielzahl von Konzepten. So kann eine Kühlung beispielsweise durch Einsatz von Fluiden oder Gasen wie Luft, Wasser oder einem Kältemittel erfolgen. Dabei wird das Fluid beispielsweise durch eine mit der Zu fuhrleitung 12 in Verbindung stehenden Pumpe oder das Gas beispielsweise durch ein mit der Zufuhrleitung 12 in Verbin dung stehendes Gebläse durch den Mikrostruktur-Wärmetauscher 5 geführt.

Weiter ist es ebenso möglich, innerhalb des Mikrostruktur- Wärmetauschers 5, d. h. innerhalb der in dem Matrixkörper 15 eingebetteten Hohlfaserstruktur 10, eine Verdampfung einer Flüssigkeit vorzunehmen, so dass beispielsweise eine Kühlung in dem Mikrostruktur-Wärmetauscher 5 nach dem Prinzip des Wärmerohres erfolgt.

In diesem Fall erübrigt sich der Einsatz einer Pumpe, da die Umwälzung des Kühlmittels rein durch Schwerkraft oder bei spielsweise durch Kapillarkräfte in einer dochtartigen Struktur erfolgen kann, die beispielsweise in die Zufuhrlei tung 12 integriert ist.

Gleichfalls bietet sich an, auch den Rücktransport eines entstehenden Kondensates durch ein bereits in die Mi krostruktur-Wärmetauscher 5 integriertes Wärmerohr zu reali sieren.

Claims

1. Mikrostruktur-Wärmetauscher mit mindestens einer von ei ner Flüssigkeit oder einem Gas durchströmten, insbesondere metallischen Hohlfaserstruktur (10) und mindestens einem die Hohlfaserstruktur (10) zumindest bereichsweise umgebenden Matrixkörper (15), dadurch gekennzeichnet, dass der Matrix körper (15) ein Graphitkörper ist.

2. Mikrostruktur-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die Hohlfaserstruktur (10) eine insbeson dere regelmäßige Anordnung von Röhren (13) ist, die gas durchgängig oder flüssigkeitsdurchgängig mit mindestens ei ner Zufuhrleitung (12) und mindestens einer Abfuhrleitung (11) in Verbindung stehen.

3. Mikrostruktur-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass der Matrixkörper (15) ein Graphitkörper aus verpresstem Graphit, insbesondere aus aus expandiertem Graphit hergestellten, miteinander verpressten Graphitfolien (14), ist.

4. Mikrostruktur-Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 3, da durch gekennzeichnet, dass der Matrixkörper (15) ein Gra phitkörper aus zwei miteinander verpressten Graphitfolien (14) ist, von denen mindestens eine vor dem Verpressen mit einer der Anordnung der Röhren (13) der Hohlfaserstruktur (10) entsprechenden Negativstrukturierung versehen worden ist.

5. Mikrostruktur-Wärmetauscher nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander verpressten Graphitfolien (14) elastisch und/oder plastisch formbar sind und eine Dicke von 250 µm bis 3 mm aufweisen.

6. Mikrostruktur-Wärmetauscher nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Röhren (13) der Hohlfaserstruktur (10) zwi schen 100 nm und 50 µm, insbesondere 500 nm und 5 µm, liegt.

7. Mikrostruktur-Wärmetauscher nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abstand der Röhren (13) der Hohlfaserstruktur (10) zwischen 5 µm und 10 mm, insbesondere 20 µm und 200 µm, liegt.

8. Mikrostruktur-Wärmetauscher nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixkörper (15) flächig ausgebildet ist und eine Dicke von 500 µm bis 5 mm aufweist.

9. Mikrostruktur-Wärmetauscher nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixkörper (15) wärmeleitend mit einem Kühlbauteil, insbe sondere einer Kühlplatte (17) oder einem elektronischen Lei stungsbauteil, in Kontakt steht.

10. Mikrostruktur-Wärmetauscher nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixkörper (15) mit einem Kühlbauteil über eine thermische Leitpaste (16) wärmeleitend in Kontakt steht.

11. Verfahren zur Herstellung eines Mikrostruktur- Wärmetauschers, insbesondere nach mindestens einem der vor angehenden Ansprüche, mit den Verfahrensschritten: a.) Be reitstellen einer Hohlfaserstruktur (10), b.) Bereitstellen von mindestens einem ersten Matrixteilkörper (14) und minde stens einem zweiten Matrixteilkörper (14), von denen minde stens einer elastisch und/oder plastisch formbar und gut wärmeleitend ist, c.) Verpressen der Hohlfaserstuktur (10) und der Matrixteilkörper (14) zu einem Mikrostruktur- Wärmetauscher (5).

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixteilkörper beim Verpressen zu einem die Hohlfaser stuktur (10) zumindest bereichsweise umgebenden Matrixkörper (15) geformt werden.