DE102007056783A1 - Thermal highly stressed component i.e. electronic component, cooling method for in high power electronic circuits, involves producing under-cooled flow simmering with imbalance between fluid and vapor temperature in evaporator - Google Patents
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Abstract
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.The The invention relates to a method for cooling thermally highly stressed components using boiling cooling with a heat exchanger having evaporator, in particular for cooling of electronic Components mounted on the evaporator, overflowed by a fluid is that by means of a circular flow one Capacitor is supplied and a device for carrying out of the procedure.
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
Die
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.Of the Invention is based on a cooling process for the task thermally highly loaded components, using the Siedekühlens with a, a heat exchanger having evaporator, the means of a circulation-like flow guide connected to a capacitor and a device for carrying out of the method, by means of the thermally highly loaded Components with a low-volume cooling device, without an increase in volume of the heat exchanger a significantly higher amount of heat dissipated can be.
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.The invention achieves the object by means of a method according to the, coupled with a component evaporator, designed as a heat exchanger component, which is assigned to its heat transfer surface a variety of microstructures and a flat design. Between the microstructures of the heat exchanger and the covering of the component, a narrow, flat flow space is formed through which a highly electrically insulating fluid is pressed in a circuit by means of a pump and the boiling film receives a very large expansion when flowing over the microstructures, which in a propagation of ≤ 100 μm thickness, assuming rapid wall-to-wall flow and disturbing propagation of the film, and vapor bubbles formed by the heat removal are intensively picked up and led to a condenser in which the vapor liquefies to a lower temperature level and also the fluid to a lower temperature as the steam is passed, the evaporator is accelerated again fed and by means of the obtained intensification of the flow rate of the fluid between the microstructured surface of the heat exchanger and the generated by the almost resting cover through opening an increase reaches the formation of vapor bubbles, the transport is made to the condenser, cooled back into a liquid phase into the evaporator and with an imbalance between the fluid and the vapor temperature in the evaporator, a supercooled flow boiling is generated. The invention is continued when the microstructures incorporated on the heat exchanger surface of the evaporator are overflowed and flowed through by the accelerated fluid of low thickness, brought to boiling by the heat loss of the component to be cooled, in a vapor and liquid phase into the condenser pumped and combined after liquefaction in the evaporator with different fluid and heat exchanger temperatures. It is an advantage of the invention that a high boiling rate and thus an increased amount of vapor bubbles is produced by the pressure-intensified flow through the evaporator with the fluid. It is advantageous according to the invention that the parameters in type and design of the microstructure, volume of the fluid and its flow profile in the evaporator and the flow rate are adjusted to realize a high heat flux with the evaporator. The invention is characterized in that the formation of the microstructure on the heat exchanger of the evaporator is assigned a pin height of 10 .mu.m to 100 .mu.m, it being useful to give the structure a pin height of absolutely 50-100 .mu.m. It is within the meaning of the invention that the condensation surfaces of the capacitor are provided in a coordinated manner with microstructures, which are tuned to the mode of action of the heat exchanger in the evaporator, generating a high cooling rate with a smallest possible circulating amount of fluid. To carry out the method, the invention relates to a device in which the evaporator has a microstructured heat exchanger surface. A cover is arranged above the heat exchanger surface, in which input and output openings for the flow of the fluid are incorporated in the evaporator. The cover is dimensioned very flat and spans the heat exchanger surface with a thin gap, which has an extremely low height compared to the heat exchanger surface. Due to the extremely flat design of the profile of the coolant, which is formed as a fluid, has a high wetting and flow effect, an intensive blistering in the coolant flow over the heat exchanger is ensured. The fluid is conducted by means of a pump from the evaporator into a heat cycle in a condenser. Advantageously, the heat transfer surface is occupied at its top with microstructures and has a flat, planar formation. It is an advantageous solution according to the invention that the heat transfer surface of the evaporator is formed as a flat module, through whose surface formed with microstructures, the fluid flows and is guided by the formed between the cover and the heat transfer surface flow gap low opening height with low thickness, areal , It is an embodiment of the invention that the evaporator has a heat exchanger surface, which is connected directly to the component to be cooled and connected on the side of the microstructures for heat transfer with the fluid and connected to the component, microstructured heat exchanger surface once is provided on the component and is inserted in an advantageous continuation of the invention as an opposite microstructured heat transfer surface on the inside of the cover over the heat transfer surface. It is a design of the inventive solution that the evaporator is equipped with the inserted flat module that is formed with its, an inner surface forming heat transfer surface in a flat design and mounted on the device for transmitting the heat loss. Following a final embodiment of the invention, the gap for the flow of the fluid is made in a height of 1 to 10 mm. The solution according to the invention becomes more concrete in that the flow gap for the fluid in the evaporator over the heat transfer surface has a height of 5 mm with respect to the cover. The module listed in the solution according to the invention forms the heat exchanger surface and follows with its dimensions the contours of the contact surface of the component.
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.
- - As a basis, the principle of boiling cooling is assumed.
- - The method uses microstructured surface profiles of the heat exchangers as a basis for evaporation.
- Advantageously, the heat transfer fluid in the evaporator flows over the microstructured heat exchanger at high speed in the presence of a very thin fluid layer with extremely high heat fluxes. It creates a highly effective flow boiling.
- - The condenser used in the process can be designed both water and air cooled and fulfills two tasks: liquefaction of the steam, condensation, cooling of the flowing fluid.
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.It is a further advantage of the inventively developed flow boiling, that in addition to egg By varying the microstructure, the linear flow velocity can also be variably adjusted. There is the advantage of shifting the critical heat flow further upwards. With an adjusted flow, the boiling film is torn open. As a result, the liquid on the surface and in the microstructure is torn open and a rapid removal of the forming, the heat-storing vapor bubbles is achieved. Since the boiling film has an extent of approximately 100 microns in its thickness, a fast, near-wall flow is necessary to disturb a spreading of the film. A simple, previously known flooding of the evaporator housing is not sufficient to achieve the necessary effects here. The housing therefore advantageously has an extremely flat shape, through which the fluid is pumped as a refrigerant. The choice made of the microstructure and the gap height (housing height) and the choice of fluid pump are matched to achieve the effect of the invention. Further findings show that the type of inlet and outlet of the fluid or the fluid-vapor mixture have a significant influence on the Siederate and thus on the heat transfer. Advantageously, could be dissipated over a 10 cm × 10 cm extended microstructure surface up to 6000 W. This means that with 60 W / cm 2 has reached a level of heat transfer never reached, the boiling film has not yet been fully optimized. The gap formation in the evaporator is 6 mm and the linear velocity of the boiling film is 0.2 m / s. Advantageously, in the course of the method according to the invention, there is a further effect that the flow additionally cools the fluid in the condenser, so that, in addition to the boiling, cooling by convection of the fluid takes place via the structural plate. According to previous measurements, the fluid is at its temperature at 20 ° C, the steam temperature may well be higher, at about 35 ° C. On the structural plate there is a so-called supercooled boiling.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The Invention is based on an embodiment closer be explained. In the accompanying drawing demonstrate:
Erstens,
die Art der Mikrostruktur auf der oder den Wärmeübertragerflächen
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- VerdampferEvaporator
- 33
- Kondensatorcapacitor
- 44
- Pumpepump
- 5, 5', 65, 5 ', 6
- Leitungmanagement
- 7, 8, 147, 8, 14
- Richtungspfeiledirectional arrows
- 99
- microstrukturierte Wärmeübertragerflächemicro structured heat transfer surface
- 1010
- Bauelementmodule
- 1111
- Auslassoutlet
- 1212
- Einlassinlet
- 1313
- DurchflussspaltFlow gap
- 1414
- Bedeckungcovering
- 1515
- Dampfblasenvapor bubbles
- 1616
- strukturiertes, flaches Modulstructured, flat module
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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