DE102007056783A1

DE102007056783A1 - Verfahren zum Kühlen thermisch hochbelasteter Bauelemente und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102007056783A1
Application number: DE200710056783
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Schulz
Original assignee: MICRYON TECHNIK GmbH
Current assignee: Erk Eckrohrkessel GmbH
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2009-05-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen thermisch hochbelasteter Bauelemente unter Verwendung des Siedekühlens mit einem einen Wärmeübertrager aufweisenden Verdampfer, insbesondere zur Kühlung von elektronischen Bauelementen, auf die der Verdampfer aufgesetzt, von einem Fluid überflossen ist, das mittels einer kreislaufförmigen Strömung einem Kondensator zugeführt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mittels den von thermisch hochbelasteten Bauelementen mit einer Kühlvorrichtung geringen Volumens ohne eine Volumenvergrößerung des Wärmeübertragers eine deutlich höhere Wärmemenge abgeführt werden kann. Die Erfindung löst die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 8.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen thermisch hochbelasteter Bauelemente unter Verwendung des Siedekühlens mit einem einen Wärmeübertrager aufweisenden Verdampfer, insbesondere zur Kühlung von elektronischen Bauelementen auf die der Verdampfer aufgesetzt, von einem Fluid überflossen ist, das mittels einer kreislaufförmigen Strömung einem Kondensator zugeführt wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die schnelle Entwicklung in der Hochleistungselektronik bringt ständig neue kompaktere Bauteile mit wachsenden Leistungsdichten und hohen Verlustwärmen hervor. Wärmemengen von 10 kW auf Flächen unterhalb 200 cm² sind praktisch mit Standards einer Kühlkörpertechnik des bekannten Standes der Technik nicht mehr zu handhaben. Auch die schon für elektronische Bauelemente eingesetzte Kühlung mittels Wasser kommt bei hohen Wärmemengen an technisch nicht überschreitbare Grenzen, so dass neue Konzepte der Kühlungstechnik gefragt sind. Diese neuen Techniken stellen hohe Anforderungen an die Realisierung der Wärmeabführung um stabile Betriebstemperaturen zu gewährleisten. Für die Größe des Wärmetransportes ist die konkrete Ausgestaltung von Wärmeübertragern sehr kompliziert, die mit speziell ausgestalteten Kondensatoren zu verbinden sind, deren Wärmeübertragungsleistung an das sekundäre Kühlmittel sowie die Tropfenbildung des Kondensats gebunden sind. Die Form und wie das Kondensat die kondensierenden Oberflächen überflutet und diese zum Verdampfer zurückleitet, sind von entscheidender Bedeutung. Die DE OS 101 02 689 zeigt eine Kühlvorrichtung mit der das Kühlmittel komprimiert an das zu kühlende Bauteil herangeführt wird und ein Mittel zur Dekompression des Kühlmittels. Bei dieser Vorrichtung handelt es sich offenkundig um eine Wärmepumpe die im T-S-Diagramm die Umkehrung des Clausius-Rankine-Prozesses darstellt. Das Verdampferteil und das Kondensatorteil stehen unter relativ hohem Druck und müssen dementsprechend abgedichtet werden. Dabei wird lediglich ein seit Jahrzehnten bekanntes Kühlverfahren vorgestellt, ohne auf die spezifischen Probleme, nämlich die Besonderheiten der Oberflächenstruktur der Wärmeübertragungsflächen sowie die Form der Kühlmittel einzugehen. Aus der DE OS 100 07 066 ist eine Kühlvorrichtung der gattungsgemäßen Art bekannt geworden, bei der eine Wärmeübertragungsplatine aus Aluminium oder einer ähnlichen Legierung mit einem Verdampferteil in einen Bereich eines Elektronikbauteiles hineinragt, wobei das Verdampferteil durch eine Wand getrennt zu einem Kondensatorteil weitergeführt wird, welches mit einer möglichst großen, sichtbar berippten Wärmeübertragungsfläche in Kontakt gebracht und mit einem sekundären Kühlmittel verbunden ist. Mittels weiterer Offenbarung erfolgt bei dieser Kühlvorrichtung der Rücktransport des kondensierten primären Kühlmittels unter Schwerkraft. Aus dem erkennbaren Missverhältnis der Wärmeübertragungsflächen des Verdampferteils zum Kondensatorteil ist deutlich, dass bei der vorgestellten Kühlvorrichtung nur ein äußerst begrenzter Wärmemengentransport von einem thermisch belasteten Bauteil, insbesondere einem Elektronikbauteil an das Kühlmittel gewährleistet ist.
Die DE OS 100 17971 offenbart eine Kühlvorrichtung der entsprechenden Gattung, bei der ein Rücktransport des im Kondensatorteil kondensierten Kühlmittels entweder über eine dort nicht dargestellte Pumpe oder unter Schwerkraft zurück in das Verdampferteil erfolgt. Die Kühlvorrichtung soll aus einem Mikrowärmeübertrager bestehen, dessen Verdampferteil das Kühlmittel teilweise verdampfen lässt und die flüssige sowie die Dampfphase des primären Kühlmittels zu einem nicht näher bezeichneten Kondensatorteil leitet, in welchem die Dampfphase verflüssigt und erneut unter Schwerkraft oder mittels eine Pumpe zum Verdampferteil zurückgeführt wird. Die erfindungsgemäße Lösung ist jedoch nicht ausreichend offenbart und kann nur von einem mit der Lösung solcher Aufgaben betrauten Fachmann mitgelesen werden, ohne dass sie einen Offenbarungsgehalt darstellen kann. Der Mikrowärmeübertrager soll durch eine Vielzahl von durchströmten Kanälen eine relativ vergrößerte Wärmeübertragungsfläche bilden, die wiederum von einem geeigneten primären sowie sekundären Kühlmittel beaufschlagt werden können. Die erkennbar aufgabenhafte Offenbarung zeigt jedoch keinen konkreten Hinweis auf die spezifische Ausbildung des Verdampferteiles sowie des dazugehörigen Kondensators. Der Verdampfer ist in bekannter Weise dargestellt und seine Wärmeübertragungsleistung ist, wie der Schrift zu entnehmen, unzureichend. Wie effektiv dabei die Wärmemengen durch eine Film- oder Blasenverdampfung vom thermisch belasteten Bauteil auf das primäre Kühlmittel übertragen werden können, hängt stark von den Eigenschaften der Oberflächenstruktur, nämlich von der Größe der Oberfläche, der Kapillarität und Benetzungsrate, von seine Porosität und der mechanischen Festigkeit des Wärmeübertragerteiles innerhalb des Verdampfers ab. Es ist aus der DE OS 103 33 871 bekannt, ein mit einem thermisch belasteten Bauelement insbesondere der Leistungselektronik wäremübertragend gekoppeltes Verdampferteil aus einer Vielzahl von matrixartig angeordenten Stäben, Rohen, Ebenen oder gekrümmten Platten oder einer Kombination davon aus Kupfer oder Aluminium auszubilden, deren Oberfläche ganz oder teilweise mit Vorsprüngen in Form von geordneten Mikrostrukturen bedeckt ist. Diese Mikrostrukturen werden galvanisch hergestellt und weisen wahlweise eine Stiftform auf, die mit ihren Längsachsen entweder senkrecht oder unter einem Winkel zur Oberfläche der Stäbe, Rohre oder Platten angeordnet sind. Mit Beachtung der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und Aluminium können von dem Bauelement erhebliche Wärmemengen über die Basisfläche auf die Kupfer- oder Aluminiumstäbe übertragen werden. Aufgrund der angeordneten Mikrostrukturen ist deren Oberfläche mit zu dem 50ig-fachen gegenüber einer glatten Oberfläche vergrößert. Da die Stiftform der Mikrostrukturen stoffschlüssig mit dem Bauteil verbunden ist, wird eine große Wärmeübertragungsleistung von der Basisfläche des Verdampfers über die Oberflächenstruktur mit den stiftförmigen Vorsprüngen gesichert. Durch die Oberflächenstruktur können sich in den Mikrostrukturen zwischen den Stiften und Vorsprüngen beim Verdampfungsprozess ungehindert Dampfblasen entwickeln, die bei einer Erhitzung der Flüssigkeit im Siedebereich mit entsprechenden Temperaturdifferenzen Dampfblasen mit großen Abmessungen entstehen lassen, deren Abriss in den offenen Hohlräumen zwischen den Mikrostrukturen erneute Dampfblasen keimen und expandieren lassen, so dass nicht nur einen hohe Blasendichte, sondern eine große Blasenfrequenz gewährleistet ist. Dementsprechend hoch ist auch die Größe des Wärmemengentransportes pro Zeiteinheit auf der Kontaktfläche des Wärmeübertragers. Die Erfindung offenbart weiterhin, dass der Kondensator gemäß der Erfindung als Rohrbündel, Stabbündel oder Plattenkondensator ausgebildet ist und die vom primären Kühlmittel beaufschlagte Seite im Verdampfer wieder mit aufgalvanisierten, gleichartigen Mikrostrukturen versehen ist, die auf die Oberfläche der Kondensatorflächen aufgebracht sind und den Verdampfungsleistungen des Wärmeübertrages des Verdampfers angepasst sind. Die Schrift offenbart spezifisch, dass die Flächendichte und die Dicke der stiftförmigen Vorsprünge beim Verdampfer sowie beim Kondensator angepasst an die Eigenschaften des verwendeten Fluids zwischen 10²/cm² und 10⁸/cm² bei einer Dicke von 100 μm und 0,2 μm angesiedelt sind. Es ist bekannt, stationäres Sieden unter Verwendung von Mikrostrukturen durchzuführen. Dabei werden Rohre, Vollstäbe oder Platten mit einer Mikrostrukturen versehen. Bei der Verwendung von Rohren oder Vollstäben werden diese in einen Glaszylinder eingebracht, der anschließend mit einem Kältemittel gefüllt wird. Danach wird das Rohr mit temperiertem Wasser durchflossen oder im Falle der Verwendung eines Vollstabes von Innen mit Heizstäben erhitzt. Zur Verwendung von Platten ist ein Gehäuse entwickelt worden, dessen Rückwand gleichzeitig die Mikrostruktur trägt. Das Gehäuse, seiner Funktion entsprechend als Verdampfer zu bezeichnen, wird mit einem Kältemittel ausgefüllt und darauf anschließend mit einer Heizplatte beheizt. Die an den Rohren, Stäben und Platten durchgeführten Messungen haben gemeinsam, dass das Kältemittel, das Fluid, im „stationären" Zustand die Mikrostrukturprofile durchflutet. Während des Siedens, also des Vorganges der Wärmeübertragung, ist der Prozess sich selbst überlassen, d. h. in Abhängigkeit von der Größe des eingestellten Wärmeflusses und der Art der Mikrostruktur stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der Dampfblasenbildung und dem Flüssigkeitstransport zu den aktiven Keimzellen in der Mikrostruktur ein. Ist die Oberflächenstruktur günstig ausgewählt, dann ist das sich einstellende Gleichgewicht ausbalanciert und wird nicht zu einer Übertemperatur führen. Im weiteren Verfahrensverkauf ist ein Zustand zu verzeichnen, bei dem das Gleichgewicht gestört wird. D. h. es bildet sich mehr Dampf an der Oberfläche der Struktur als Flüssigkeit nachrücken kann. Das jetzt geschilderte Phänomen wird Dampf- oder Siedeform oder auch Leidenfrostphänomen genannt. In der Regel ist ein definierter kritischer Wärmefluss notwendig, um einen Siedefilmeffekt hervorzurufen. Setzt der Siedefilm ein, wirkt er stark isolierend, d. h. die Wärme kann nicht abfließen und die Temperatur des Stabes oder der Strukturplatte steigt erheblich an. In einigen Fällen kann das innerhalb einiger Sekunden eintreten und zu signifikanten Materialschäden führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Kühlen thermisch hochbelasteter Bauelemente, unter Verwendung des Siedekühlens mit einem, einen Wärmeübertrager aufweisenden Verdampfer, der mittels einer kreislaufartigen Strömungsführung mit einem Kondensator verbunden ist und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mittels den von thermisch hoch belasteten Bauelementen mit einer Kühlvorrichtung geringen Volumens, ohne eine Volumenvergrößerung des Wärmeübertragers eine deutlich höhere Wärmemenge abgeführt werden kann.
Die Erfindung löst die Aufgabe mittels eines Verfahrens gemäß dem, mit einem Bauelement gekoppelten Verdampfer, ein als Wärmeübertrager ausgebildetes Bauteil, dem auf seiner Wärmeübertragerfläche eine Vielzahl von Mikrostrukturen und eine flache Bauform, zugeordnet wird. Zwischen den Mikrostrukturen des Wärmeübertragers sowie der Bedeckung des Bauteils wird ein enger, flacher Durchflussraum gebildet, durch den mittels einer Pumpe ein elektrisch hoch isolierendes Fluid in einem Kreislauf gedrückt wird und beim Überströmen der Mikrostrukturen der Siedefilm eine sehr große Ausdehnung erhält, die bei einer Ausbreitung von ≤ 100 μm Mächtigkeit eine schnelle, wandnahe Strömung vorausgesetzt und eine Ausbreitung des Filmes gestört wird und durch den Wärmeabtrag gebildete Dampfblasen intensiv aufgenommen und zu einem Kondensator geführt werden, in dem der Dampf auf eine niedere Temperaturstufe verflüssigt und auch das Fluid auf eine geringere Temperatur als der Dampf geführt, dem Verdampfer beschleunigt wieder zuleitet wird und mittels der erhaltenen Intensivierung der Duchflussgeschwindigkeit des Fluides zwischen der mikrostrukturierten Oberfläche des Wärmeübertragers und der durch die annähernd aufliegende Bedeckung erzeugten engen Durchlassöffnung eine Erhöhung der Dampfblasenbildung erreicht, deren Transport zum Kondensator vorgenommen wird, darin in eine Flüssigkeitsphase zurückgekühlt in den Verdampfer gelangt und mit einem Ungleichgewicht zwischen Fluid und Dampftemperatur im Verdampfer ein unterkühltes Strömungssieden erzeugt wird. Die Erfindung ist weitergeführt, wenn die auf der Wärmeübertragerfläche des Verdampfers eingearbeiteten Mikrostrukturen von dem beschleunigt fließenden Fluid mit einer geringen Mächtigkeit über- sowie durchströmt werden, das durch die Verlustwärme des zu kühlenden Bauelementes zum Sieden gebracht, in einer Dampf- und Flüssigkeitsphase in den Kondensator gepumpt und nach Verflüssigung in den Verdampfer mit unterschiedlichen Fluid- und Wärmeübertragertemperaturen zusammengeführt werden. Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass durch das druckintensivierte Durchströmen des Verdampfers mit dem Fluid eine hohe Siederate und damit eine vergrößerte Dampfblasenmenge erzeugt wird. Es ist vorteilhaft nach der Erfindung, dass die Parameter in Art und Ausbildung der Mikrostruktur, Volumen des Fluids und seinem Durchflussprofil im Verdampfer sowie der Durchströmgeschwindigkeit abgestimmt werden, um einen hohen Wärmefluss mit dem Verdampfer zu realisieren. Ausgestaltet ist die Erfindung damit, dass der Ausbildung der Mikrostruktur auf dem Wärmübertrager des Verdampfers eine Pinhöhe von 10 μm bis 100 μm zugeordnet wird, wobei es sinnvoll ist, der Struktur eine Pinhöhe von absolut 50–100 μm zu verleihen. Es ist im Sinne der Erfindung, dass die Kondensationsflächen des Kondensators in abgestimmter Weise mit Mikrostrukturen versehen sind, die auf die Wirkungsweise des Wärmeübertragers im Verdampfer abgestimmt, eine hohe Kühlrate bei einer kleinstmöglich umlaufenden Fluidmenge generieren. Die Erfindung hat zur Durchführung des Verfahrens eine Vorrichtung zum Gegenstand bei der der Verdampfer eine mikrostrukturierte Wärmeübertragerfläche aufweist. Über der Wärmeübertragerfläche ist eine Bedeckung angeordnet, in der Ein- und Ausgabeöffnungen für den Durchfluss des Fluides im Verdampfer eingearbeitet sind. Die Bedeckung ist sehr flach dimensioniert und überspannt die Wärmeübertragerfläche mit einem dünnen Spalt, der eine äußerst geringe Höhe gegenüber der Wärmeübertragerfläche aufweist. Durch die äußerst flache Gestaltung des Profiles des Kühlmittels, dass als Fluid ausgebildet, über eine hohe Benetzungs- und Strömungswirkung verfügt, ist eine intensive Blasenbildung im Kühlmittelfluss über dem Wärmeübertrager gewährleistet. Das Fluid wird mittels einer Pumpe aus dem Verdampfer in einen Wärmekreislauf in einen Kondensator geführt. Vorteilhafterweise ist die Wärmeübertragerfläche an ihrer Oberseite mit Mikrostrukturen besetzt und weist eine ebene, plane Ausbildung auf. Es ist eine vorteilhafte Lösung nach der Erfindung, dass die Wärmeübertragerfläche des Verdampfers als flaches Modul ausgebildet ist, über dessen, mit Mikrostrukuten ausgebildete Oberfläche das Fluid strömt und durch den zwischen der Bedeckung und der Wärmeübertragerfläche ausgebildeten Durchflussspalt geringer Öffnungshöhe mit geringer Mächtigkeit, flächig geführt ist. Es ist eine Ausführungsform der Erfindung, dass der Verdampfer eine Wärmeübertragerfläche aufweist, die mit dem zu kühlenden Bauelement direkt und flächig verbunden auf der Seite der Mikrostrukturen zur Wärmeübertragung mit dem Fluid in Verbindung gebracht ist und die mit dem Bauelement verbunden, mit Mikrostrukturen besetzte Wärmeübertragerfläche einmal auf dem Bauteil vorgesehen ist und in vorteilhafter Weiterführung der Erfindung auch als gegenüberliegende mikrostrukturierte Wärmeübertragerfläche auf der Innenseite der Bedeckung über der Wärmeübertragerfläche eingefügt ist. Es ist eine Gestaltung der erfindungsgemäßen Lösung, dass der Verdampfer mit dem eingefügten flachen Modul ausgerüstet ist, dass mit seiner, eine Innenfläche ausformenden Wärmeübertragerfläche in einer flachen Bauform ausgebildet und auf dem Bauelement zur Übertragung der Verlustwärme befestigt ist. Einer abschließenden Ausformung der Erfindung folgend, ist der Spalt für den Durchfluss des Fluides in einer Höhe von 1 bis 10 mm ausgeführt. Die Lösung nach der Erfindung konkretisiert sich dadurch, dass der Durchflussspalt für das Fluid in dem Verdampfer über der Wärmeübertragerfläche eine Höhe von 5 mm gegenüber der Bedeckung aufweist. Das in der erfindungsgemäßen Lösung aufgeführte Modul formt die Wärmeübertragerfläche aus und folgt mit seinen Abmessungen den Konturen der Anlagefläche des Bauelementes.
Das Verfahren sowie die Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung weisen den Vorteil auf, dass jetzt eine hochwirksame Kühlanordnung unter Verwendung von Flüssigkeiten, verbunden mit einem neuartigen Verfahrenskonzept des Strömungssiedens, an Wärmeübertragern mit Mikrostrukturen zur Anwendung gebracht wird. Zusammengefasst arbeitet das Verfahren mit folgenden Einzelmerkmalen.

– Als Grundlage ist das Prinzip des Siedekühlens angenommen.
– Das Verfahren setzt mikrostrukturierte Oberflächenprofile der Wärmeübertrager als Grundlage für das Verdampfen ein.
– Vorteilhaft überströmt das Wärmeübertragungsfluid im Verdampfer den mikrostrukturierten Wärmeübertrager mit hoher Geschwindigkeit bei Vorhandensein einer sehr dünnen Fluidschicht mit extrem hohen Wärmeströmen. Es entsteht ein hocheffektives Strömungssieden.
– Der im Verfahren verwendete Kondensator kann wasser- sowie luftgekühlt ausgelegt werden und erfüllt dabei zwei Aufgaben: Verflüssigung des Dampfes, Kondensation, Abkühlung des strömenden Fluides.

Es ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß entwickelten Strömungssiedens, dass neben einem Variieren der Mikrostruktur auch die lineare Flussgeschwindigkeit veränderlich eingestellt werden kann. Es besteht der Vorteil, den kritischen Wärmefluss weiter nach oben zu verschieben. Mit einer angepasst eingestellten Strömung wird der Siedefilm aufgerissen. Dadurch wird die Flüssigkeit auf der Oberfläche und in der Mikrostruktur aufgerissen und es wird ein schneller Abtransport der sich ausbildenden, die Wärme speichernden Dampfbläschen erreicht. Da der Siedefilm in seiner Mächtigkeit eine Ausdehnung von schätzungsweise 100 μm aufweist, ist eine schnelle, wandnahe Strömung notwendig, um ein Ausbreiten des Filmes zu stören. Eine einfache, bisher bekannte Durchflutung des Verdampfergehäuses ist nicht ausreichend, um hier die notwendigen Effekte zu erzielen. Das Gehäuse weist deshalb vorteilhaft eine extrem flache Form auf, durch die das Fluid als Kältemittel gepumpt wird. Die getroffene Wahl der Mikrostruktur und die der Spalthöhe (Gehäusehöhe) sowie die Wahl der Fluidpumpe sind zum Erreichen des erfindungsgemäßen Effektes aufeinander abgestimmt. Weitergehende Erkenntisse zeigen, das auch die Art der Zu- und Ablaufe des Fluides bzw. das Fluid-Dampfgemisch einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Siederate und damit auf die Wärmeübertragung haben. Vorteilhaft konnten über eine 10 cm × 10 cm erstreckte Mikrostrukturfläche bis zu 6000 W abgeführt werden. Das bedeutet, dass mit 60 W/cm² eine nie erreichte Größe der Wärmeübertragung erreicht worden ist, wobei der Siedefilm noch gar nicht vollständig optimiert worden ist. Die Spaltbildung im Verdampfer beträgt dabei 6 mm und die lineare Geschwindigkeit des Siedefilmes 0,2 m/s. Vorteilhafterweise entsteht bei dem erfindungsgemäßen Verfahrensverlauf ein weiterer Effekt, dass die Strömung das Fluids im Kondensator noch zusätzlich abkühlt, so dass neben dem Sieden noch eine Kühlung durch Konvektion des Fluids über die Strukturplatte erfolgt. Nach bisherigen Messungen liegt das Fluid mit seiner Temperatur bei 20°C, wobei die Dampftemperatur durchaus höher, bei ca. 35°C liegen kann. An der Strukturplatte liegt ein sogenanntes unterkühltes Sieden vor.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
1: Die Vorrichtung in ihrer Gesamtkonfiguration.
2: Den Verdampfer mit angefügtem Bauelement.
3: Die mikrostrukturierte Wärmeübertragerfläche in einer gesonderten Darstellung.
1 stellt die Vorrichtung 1 in ihrer Gesamtkonfiguration dar. Dabei ist einem Verdampfer 2 eine Pumpe 4 vorgeordnet, welche ein elektrisch isoliertes Fluid, aus einem Kondensator 3 kommend, dem Verdampfer 2 zuführt. Im Verdampfer 2 wird das Fluid verdampft und über eine Leitung 6 dem Kondensator zugeführt und zum Kondensieren gebracht, um über die Leitung 5 der Pumpe 4 wieder zugeführt zu werden, welche das Fluid in einem erneuten Kreislauf dem Verdampfer 2 zuführt. Die Richtungspfeile 7, 8, 14 zeigen die Strömungs- und Durchlaufrichtung im Wärmekreislauf an. Der Verdampfer 2, der Kondensator 3, die Pumpe 4 sind durch Leitungen 5, 5', 6 verbunden. 2 zeigt den Verdampfer 2 in einer vergrößerten Darstellung. Das Bauelement 10 ist mit dem Verdampfer 2 in dichtem Kontakt verbunden. Der Wirkkontakt zum Bauelement 10 wird durch ein mikrostrukturiertes Bauteil in Form eines Wärmeübertragers hergestellt, dessen mikrostrukturierte Wärmeübertragerfläche 9 in den Verdampfer 2 hineinragt und mit dem durchfließenden Fluid in eine thermische Wirkverbindung gebracht wird. Das Fluid fließt in den Verdampfer 2, über den Einlass 12, der mit der Leitung 5' zur Pumpe verbunden ist und verläßt den Verdampfer 2 durch den Auslass 11 über das Rohr 6, in dem es in Richtung des Pfeiles 7 zum Verdampfer 2 gelangt und dort in einen wässrigen Aggregatzustand gebracht, gekühlt zurückgeführt wird. Der Durchflussspalt 13 zwischen der Bedeckung 14 und der Wärmeübertragerfläche 9 ist in geringer Dicke in den Dimensionen von 1 bis 10 ausgeführt, um dem Fluid die Möglichkeit zu verleihen, dünnschichtig und breitflächig mit einer gezielt eingestellten Strömungsgeschwindigkeit von 0,2 m/s über die Wärmeübertragerfläche 9 zu fließen und die Bildung von Dampfblasen 15 in den Mikrostrukturen optimal zu bewirken, welche in Richtung des Pfeiles 14 zum Auslass 11 strömen und von da aus in den Kondensator 3 gelangen. 3 zeigt die Ausbildung des strukturierten Bauteiles 16 mit der aufgearbeiteten mikrostrukturierten Wärmeübertragerfläche 9. Die Ausbildung des strukturierten flächigen Moduls 16 zeigt, dass eine intensive Verbindung des Bauteiles 16 mit dem thermisch belasteten Bauelement 10 durch die angepasste Form und intensive Verbindungsart der beiden Bauteile 10; 16, hergestellt werden kann. Für seine Wirkungsweise hat der kompakt ausgefertigte Verdampfer 2 eine Wärmeübertragerfläche 9 mit integrierten Mikrostrukturen. Die Wärmeübertragerfläche 9 wird mit dem Wärmeübertragungsfluid überströmt und durch die Verlustwärme des Bauelementes 10 zum Sieden gebracht. Das dadurch erzeugte Dampf-Fluid-Gemisch wird zum Kondensator 3 gepumpt, verflüssigt und dem Verdampfer wieder zugeführt. Der Prozess erfolgt kreislaufförmig und wiederholt, so wie es die 1 darstellt. Für die Erfindung ist die Konstruktion des Verdampfers von signifikanter Bedeutung, um große Wärmemengen abführen zu können. Der mitlesende Fachmann erkennt, dass folgende Parameter für die Verfahrensführung genau aufeinander abzustimmen sind.
Erstens, die Art der Mikrostruktur auf der oder den Wärmeübertragerflächen 9 sowie zweitens das Volumen und die Durchströmungsgeschwindigkeit des Fluides. Das Wärmeübertragungsfluid wird über die Wärmeübertagerfläche 9 gepumpt und überströmt dabei seine mikrostrukturierte Kontaktfläche, die bei einer hohen Siederate eine intensive Blasenbildung des Fluides generiert. Mit einer wirksamen, wandnahen Strömung werden die Dampfblasen 15 aus dem Verdampfer 2 ausgetragen und in den Kondensator 3 transportiert. Um den Verdampfer 2 kompakt und platzsparend auszubilden wird ein minimiertes Volumen des Verdampfers 2 angestrebt und dazu ein flaches, strukturiertes Bauteil 16 und eine dementsprechend flache Bedeckung 14 zur Anwendung gebracht. Damit wird die vorher erwähnte intensive Durchströmung des Verdampfers 2 erreicht, die ein Abtragen der in großer Anzahl gebildeten Dampfblasen 15 aus dem Verdampfer 2 ermöglicht. Das strukturierte flächige Modul 16 mit dem mikrostrukturierten Wärmeübertrager 9 ist ausführungsgemäß aus einem Aluminium- oder Edelstahlgehäuse gebildet, wobei es dem mitlesenden Fachmann nicht entgehen kann, dass auch die Innenflächen des Gehäuses des Verdampfers 2 im Bereich des Spaltes 13 mit Mikrostrukturen belegt werden können, um die Blasenbildung und damit die Kühlrate zum Abtragen der Verlustwärme auf dem Bauelement 10 zu intensivieren. Wie bereits vorstehend erwähnt, ist das zu kühlende Bauelement 10 mit der Rückwand des Modules 16 der mikrostrukturierten Wärmeübertragerfläche 9 fest in Kontakt gebracht. Die bereits vorstehend dargestellten Fakten lassen erkennen, dass sich mit der sehr geringen Kantenhöhe des Gehäuses ein geringer Durchflussspalt 13 resultieren lässt, der eine wirksame Durchflussmenge und wandnahe Strömung gewährleistet, welche ein Mitreißen der in der Mikrostruktur gebildeten Dampfblasen 15 in bisher nicht erreichten Umfang ermöglicht.

1: Vorrichtung
2: Verdampfer
3: Kondensator
4: Pumpe
5, 5', 6: Leitung
7, 8, 14: Richtungspfeile
9: microstrukturierte Wärmeübertragerfläche
10: Bauelement
11: Auslass
12: Einlass
13: Durchflussspalt
14: Bedeckung
15: Dampfblasen
16: strukturiertes, flaches Modul

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10102689 A [0002]
- DE 10007066 A [0002]
- DE 10017971 A [0003]
- DE 10333871 A [0003]

Claims

Verfahren zum Kühlen thermisch hochbelasteter Bauelemente unter Verwendung des Siedekühlens mit einem einen Wärmeübertrager aufweisenden Verdampfer, der mittels einer kreislaufartigen Strömungsführung mit einem Kondensator verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass einem mit einem Bauelement gekoppelten Verdampfer, ein als Wärmeübertrager ausgebildetes Bauteil, dem auf seiner Wärmeübertragerfläche eine Vielzahl von Mikrostrukturen und eine flache Bauform zugeordnet wird, zwischen den Mikrostrukturen des Wärmeübertragers sowie der Bedeckung des Bauteils ein enger Durchflussraum gebildet, durch den mittels einer Pumpe ein elektrisch hoch isolierendes Fluid in einen Kreislauf gedrückt wird und beim Überströmen der Mikrostrukturen der Siedefilm eine sehr große Ausdehnung erhält, die bei einer Ausbreitung von ≤ 100 μm eine schnelle, wandnahe Strömung voraussetzt und eine Ausbreitung des Filmes gestört wird, mit dem durch den Wärmeabtrag gebildete Dampfblasen intensiv aufgenommen und zu einem Kondensator geführt werden, in dem der Dampf auf eine niedere Temperaturstufe verflüssigt und auch das Fluid auf eine geringere Temperatur als der Dampf geführt, dem Verdampfer beschleunigt wieder zugeleitet wird und mittels der erhaltenen Intensivierung der Durchflussgeschwindigkeit des Fluides zwischen der mikrostrukturierten Oberfläche des Wärmeübertragers und der durch die annähernd aufliegende Bedeckung erzeugten engen Durchlassöffnung eine Erhöhung der Dampfblasenbildung erreicht, deren Transport zum Kondensator vorgenommen wird, darin in eine Flüssigkeitsphase zurückgekühlt in den Verdampfer gelangt und mit einem Ungleichgewicht zwischen Fluid- und Dampftemperatur im Verdampfer ein unterkühltes Strömungssieden erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Wärmeübertragerfläche des Verdampfers eingearbeiteten Mikrostrukturen von dem beschleunigt fließenden Fluid über- sowie durchströmt werden, dass durch die Verlustwärme des zu kühlenden Bauelementes zum Sieden gebracht, in eine Dampf-Flüssigkeitsphase in den Kondensator gepumpt und nach der Verflüssigung in den Verdampfer mit unterschiedlichen Fluid- und Wärmeübertragertemperaturen zusammengeführt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch das druckintensivierte lineare Durchströmen des Verdampfers mit dem Fluid eine hohe Siederate und damit eine vergrößerte Dampfblasenmenge erzeugt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter Art und Ausbildung der Mikrostruktur, Volumen des Fluids und sein Durchflussprofil im Verdampfer sowie die Durchströmungsgeschwindigkeit abgestimmt werden, um einen hohen Wärmefluss im Verdampfer zu realisieren.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausbildung der Mikrostruktur auf dem Wärmeübertrager des Verdampfers eine Pinhöhe von 10 μm bis 100 μm zugeordnet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausbildung der Mikrostruktur auf dem Wärmeübertrager des Verdampfers eine Pinhöhe von 50 μm bis 60 μm zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsflächen des Kondensators in abgestimmter Weise mit Mikrostrukturen versehen sind, die auf die Wirkungsweise des Wärmeübertragers im Verdampfer abgestimmt, eine hohe Kühlrate bei einer kleinstmöglich umlaufenden Fluidmenge generieren.
Vorrichtung zum Kühlen thermisch hochbelasteter Bauelemente unter Verwendung des Siedekühlens mit einem einen Wärmeübertrager aufweisenden Verdampfer, der mittels einer kreislaufartigen Strömungsführung mit einem Kondensator verbunden ist und einen Wäremübertragungskreislauf aufweist der aus einem mit dem Bauelement wärmeübertragend gekoppelten sowie aus einem mit einem primären Kühlmittel beaufschlagten Verdampferteil und von einem mit sekundärem Kühlmittel beaufschlagten Kondensatorteil besteht, in dem das primäre Kühlmittel gekühlt, seine Dampfphase kondensiert und mittels seiner Schwerkraft oder mittels einer Pumpe vom Kondensatorteil zum Verdampferteil gefördert ist, in dem mit dem Bauelement für eine Wärmeübertragung gekoppelten Verdampferteil aus einer Vielzahl von matrixartig auf der Basisfläche angeordneten Stäben, Rohren oder Platten gebildet ist, auf dessen Oberflächen Mikroporen aufgalvanisiert sind, die eine Stiftform aufweisen und sich mit ihren Längsachsen entweder senkrecht oder unter einem Winkel zur Oberfläche der Stäbe, Rohre oder Platten erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (2) eine mikrostrukturierte Wärmeübertragerfläche (9) aufweist, über der eine Ein- und Ausgabeöffnungen (11, 12) aufweisende Bedeckung (14) angeordnet ist, die spaltbreit die Wärmeübertragerfläche (9) überspannt und durch den Spalt (13), der eine äußerst geringe Höhe gegenüber der Wärmeübertragerfläche (9) aufweist, ein Kühlmittel, als Fluid ausgebildet, mit hoher Benetzungs- und Strömungswirkung durch eine Pumpe (4) bewegt ist, von da einem Kondensator (3) in einem Wärmeumlauf geführt kreislaufartig zuströmt, wobei die Wärmeübertragerfläche (9) an ihrer Oberseite mit Mikrostrukturen besetzt, eine ebene, plane Ausbildung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragerfläche (9) des Verdampfers (3) als flaches Modul ausgebildet ist, über dessen mit Mikrostrukturen ausgebildeter Oberfläche das Fluid strömt und durch einen zwischen der Bedeckung (14) und der Wärmeübertragerfläche (9) mit geringer Öffnungshöhe gebildeten Durchflussspalt (13) geführt sowie flächig mit geringerer Mächtigkeit gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (3) eine Wärmeübertagerfläche (9) aufweist, die mit dem Bauelement (10) direkt und flächig verbunden und auf der Seite der Mikrostrukturen zur Wärmeübertragung mit dem Fluid benetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Bauelement (10) verbundene, mit Mikrostrukturen belegte Wärmeübertragerfläche (9) auf dem Bauteil vorgesehen ist und eine zweite Wärmeübertragerfläche in der Bedeckung (14) angeordnet der Wärmeübertragerfläche (9) gegenüberliegend angefügt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (3) mit dem eingefügten flachen Modul (16) ausgerüstet, mit seiner, die Innenwand ausformenden Wärmeübertragerfläche (9) in einer flachen Bauform ausgebildet und auf dem Bauelement (10) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 und einem der darauf folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (13) für den Durchfluss des Fluides über der Wärmeübertragerfläche (9) eine Höhe von 1 mm bis 10 mm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 und einem der darauf folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (13) für den Durchfluss des Fluides über der Wärmeübertragerfläche (9) eine Höhe von 5 mm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (16) in der Form und den Konturen der Anlagefläche des Bauelementes (10) angepasst ist.