DE102008026856A1

DE102008026856A1 - Kühlelement für ein elektronisches Bauelement und Vorrichtung mit einem elektronischen Bauelement

Info

Publication number: DE102008026856A1
Application number: DE102008026856A
Authority: DE
Inventors: Dirk Lorenzen
Original assignee: Jenoptik Laserdiode GmbH
Current assignee: LORENZEN, DIRK, DR., 16798 FUERSTENBERG, DE
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2009-12-17
Also published as: WO2009146694A2; WO2009146694A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlelement (1) für zumindest ein elektronisches Bauelement, insbesondere eine Laserdiode oder einen Laserdiodenbarren, mit zumindest einer Aufnahmefläche (2) für das zumindest eine elektronische Bauelement. Die Aufnahmefläche (2) erstreckt sich zumindest über einen Teil der Breite des Kühlelements (1) und weist zumindest eine erste Kühlmittelführungsstruktur (KM1) auf. Die Kühlmittelführungsstruktur umfasst eine erste Anzahl an im Wesentlichen parallel verlaufenden ersten Kanalabschnitten (3), welche über die Breite (bA) der Aufnahmefläche (2) verteilt sind und insbesondere eine Mikrokanalstruktur ausbilden, wobei eine erste Teilanzahl der ersten Kanalabschnitte (3) einer ersten Gruppe (11) von Kanalabschnitten und zumindest eine zweite Teilanzahl der ersten Kanalabschnitte (3) einer zweiten Gruppe (12) von Kanalabschnitten zugeordnet sind. Die Kanalabschnitte der zweiten Gruppe (12) sind den Kanalabschnitten der ersten Gruppe (11) strömungstechnisch nachgeschaltet. Die Kanalabschnitte der ersten und zweiten Gruppe (11, 12) von Kanalabschnitten sind derart miteinander gekoppelt, dass diese in der gleichen Richtung von Kühlmittel durchströmbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlelement für zumindest ein elektronisches Bauelement, insbesondere eine Laserdiode oder einen Laserdiodenbarren oder Stapeln davon sowie eine Vorrichtung mit einem elektronischen Bauelement. Ein derartiges Kühlelement umfasst typischerweise Kanäle, die in übereinander liegenden Ebenen angeordnet und von einer Kühlflüssigkeit durchflossen sind.
Der Einsatz von z. B. Hochleistungs-Laserdioden ist immer mit dem Erfordernis einer Kühlung verbunden, die sich auf besonders effiziente Weise durch eine fluiddynamische Mikrokanalkühlung mit Wasser als Kühlflüssigkeit realisieren lässt. So werden beachtliche Wärmeeintragsflächen mit sog. Mikrokanalwärmesenken erreicht, in denen die Mikrokanäle mit unterschiedlichen Methoden in ein Material von guter Wärmeleitfähigkeit eingearbeitet sind.
Allgemein soll das Kühlelement zur Kühlung des elektronischen Bauelements einerseits möglicht klein und kompakt sein, andererseits aber eine effiziente Kühlung er möglichen. Eine solche effiziente Kühlung erfordert eine hohe Wärmeaustauschleistung, die ihrerseits nur mit einem hohen Kühlmitteldurchsatz erreicht werden kann. Bei der konstruktiven Ausgestaltung des Kühlelements, d. h. bei der Anordnung und geometrischen Formgebung der im Inneren des Kühlelements verlaufenden Kanäle zum Zu- und Abführen des Kühlmittels an die Mikrokanäle bzw. von den Mikrokanälen ist somit anzustreben, dass der Druckabfall innerhalb des Kühlelements für einen gegebenen und zur Kühlung des elektronischen Bauelements erforderlichen Kühlmitteldurchsatz möglichst gering ist.
Die Vielzahl bekannter Mikrokanalwärmesenken enthält in einer Folge zusammengeführter strukturierter Schichten unterschiedliche funktionale Ebenen, wobei das zu kühlende elektronische Bauelement auf eine obere Deckschicht, z. B. durch Löten, aufgebracht ist. In der Schichtenstruktur sind außerdem die Funktionen der Zu- und der Ableitung der Kühlflüssigkeit sowie der eigentlichen Kühlung über die Mikrokanäle untergebracht.
Aus der DE 43 15 580 A1 ist eine aus fünf Schichten bestehende Mikrokanalwärmesenke bekannt. In einer Mikrokanal- bzw. Verteilerplatte wird die über einen Zufluss zugeführte Kühlflüssigkeit auf die Mikrokanäle verteilt, die sich unterhalb des auf der Deckschicht befestigten Diodenlasers befinden. Über Verbindungskanäle in einer Zwischenschicht wird die Kühlflüssigkeit in eine Sammelplatte geleitet, von wo aus eine Verbindung zu einem Abfluss besteht. Eine Grundplatte schließt die Mikrokanalwärmesenke nach unten ab. Der modulare Aufbau ist prinzipiell für eine vertikale Stapelung geeignet.
Aufbauend auf der DE 43 15 580 A1 ist in der DE 197 10 716 A1 eine Vorrichtung zum Kühlen von elektronischen Bauelementen beschrieben, bei welcher der Druckverlust, den die Kühlflüssigkeit beim Passieren durch die Mikrokanalwärmesenke erfährt, gesenkt werden kann. Dazu wird die Zwischenplatte durch eine Schichtung derart modifiziert, dass über eine Treppenstruktur eine sukzessive Strömungsquer schnittsanpassung erreicht wird. Nachteilig hieran ist, dass durch die Schichtung eine Vergrößerung der Bauhöhe erfolgt.
Die DE 100 47 780 A1 schafft eine Einrichtung zur Kühlung von Diodenlasern, bei der der Wärmeübergangskoeffizient bei niedriger Bauhöhe der Einrichtung derart vergrößert ist, dass die auftretenden Druckverluste auch einen strömungstechnisch parallelen Betrieb von gestapelten Wärmesenken in effektiver Weise gewährleisten. Bei dieser Einrichtung sind die Kanäle in jeder Ebene in strömungstechnisch seriell nacheinander geschaltete Gruppen aufgeteilt, die zur Nacheinanderschaltung in für die übereinander liegenden Ebenen gemeinsame strömungstechnische Verbindungsglieder münden. Dabei stehen von den Gruppen der Kanäle eine erste Gruppe mit einem gemeinsamen Zufluss und eine andere, zuletzt nachgeschaltete Gruppe mit einem gemeinsamen Abfluss für die Kühlflüssigkeit in Verbindung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Kühlelement für ein elektronisches Bauelement, insbesondere eine Laserdiode oder einen Laserdiodenbarren oder einen Stapel davon, anzugeben, bei dem der zum Erzeugen eines vorgegebenen Kühlmitteldurchsatzes erforderliche Durchfluss gering gehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kühlelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 16. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kühlelements ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Die Erfindung schafft ein Kühlelement für zumindest ein elektronisches Bauelement mit zumindest einer Aufnahmefläche für das zumindest eine elektronische Bauelement, welches sich zumindest über einen Teil der Breite des Kühlelements erstreckt und mit zumindest einer ersten Kühlmittelführungsstruktur ausgestattet ist. Die erste Kühlmittelführungsstruktur umfasst eine erste Anzahl an im Wesentlichen parallel verlaufenden ersten Kanalabschnitten, welche über die Breite der Aufnahmefläche verteilt sind und insbesondere eine Mikrokanalstruktur ausbilden, wobei eine erste Teilanzahl der ersten Kanalabschnitte einer ersten Gruppe von Kanalabschnitten und zumindest eine zweite Teilanzahl der ersten Kanalabschnitte einer zweiten Gruppe von Kanalabschnitten zugeordnet sind. Die Kanalabschnitte der zweiten Gruppe sind den Kanalabschnitten der ersten Gruppe strömungstechnisch nachgeschaltet. Dabei sind die Kanalabschnitte der ersten und zweiten Gruppe von Kanalabschnitten derart miteinander gekoppelt, dass diese in der gleichen Richtung von Kühlmittel durchströmbar sind.
Die Zuordnung der ersten und zweiten Teilanzahl der ersten Kanalabschnitte zu einer ersten und zweiten Gruppe von Kanalabschnitten sowie deren strömungstechnische Nacheinanderschaltung sorgen dafür, dass die Kanalabschnitte der jeweiligen Gruppe zeitlich nacheinander von Kühlmittel durchströmt werden. Hierdurch lassen sich Druckverlust- und Strömungsverhältnisse gegenüber Kühlelementen, welche auf Strömungsspreiz- oder -verengungskammern zurückgreifen, besser vermeiden. Bei dem vorliegenden Kühlelement braucht ein Zulaufquerschnitt nämlich nicht auf die gesamte Breite des Kühlelements, insbesondere nicht auf die gesamte Breite der Aufnahmefläche, aufgeweitet/aufgespreizt zu werden, sondern je nach Anzahl der ersten Teilanzahl der ersten Kanalabschnitte der ersten Gruppe von Kanalabschnitten lediglich über deren geringere Breite. Bei einem hohen Kühlmitteldurchfluss kann hierdurch der Druckverlust im Vergleich zu einer herkömmlichen Anordnung sowohl in dem Zu- als auch in dem Ablauf gesenkt werden. Ebenso kann der Druckverlust einer gegebenenfalls vorhandenen Steigleitung eines Stapels mehrerer Kühlelemente reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Kühlelement weist ferner den Vorteil auf, dass dieses im Vergleich zu bekannten Kühlelementen bei konstantem Kühlmitteldurchsatz einen verringerten thermischen Widerstand aufweist. Anders ausgedrückt kann bei halbiertem Kühlmitteldurchfluss der thermische Widerstand konstant gehalten werden. Der niedrige Durchfluss ermöglicht eine schlankere Ausgestaltung des Kühlelements, wodurch eine größere Anzahl von Diodenlaserelementen in einem Stapel angeordnet werden können. Dabei ist ein erfindungsgemäßes Kühlelement kombinierbar mit bekannten Mikrokanalstrukturen, insbesondere mit sog. Kaskadenkühlern, wie diese beispielsweise in der DE 100 47 780 A1 beschrieben sind. Unter einer „Kaskadierung” ist die strömungstechnische Serienschaltung von nebeneinander liegenden, zueinander parallelen Kanalabschnitten zu verstehen.
Unter dem Begriff „parallel verlaufende Kanalabschnitte” ist im Rahmen dieser Beschreibung zu verstehen, dass die Längsachsen der (ersten) Kanalabschnitte benachbart und in einer Richtung senkrecht zu ihren Längsachsen parallel zueinander liegen. „Im Wesentlichen parallel” bedeutet, dass geringe Winkelabweichungen von der Parallelität erlaubt sind.
Die Verteilung der ersten Kanalabschnitte kann über die gesamte Breite der Aufnahmefläche erfolgen. Es ist insbesondere zweckmäßig, wenn die ersten Kanalabschnitte über wenigstens 90% der Breite verteilt sind. Die ersten Kanalabschnitte können hierbei in einer bevorzugten Variante in einem äquidistanten Abstand zueinander angeordnet sein. Die ersten Kanalabschnitte können auch diskontinuierlich über die Breite der Aufnahmefläche verteilt sein.
Zweckmäßigerweise sind die Kanalabschnitte der ersten Gruppe von Kanalabschnitten einander benachbart und/oder die Kanalabschnitte der zweiten Gruppe von Kanalabschnitten einander benachbart angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Kanalabschnitte der ersten Gruppe von Kanalabschnitten und/oder die Kanalabschnitte der zweiten Gruppe von Kanalabschnitten parallel von Kühlmittel durchströmbar. Besonders günstige Strömungsverhältnisse ergeben sich dann, wenn von der zweiten Gruppe von Kanalabschnitten eine erste und eine zweite Untergruppe auf einander gegenüberliegenden Seiten der ersten Gruppe von Kanalabschnitten angeordnet und strömungstechnisch parallel geschaltet sind. Hierdurch ergibt sich eine symmetrische Ausgestaltung der ersten Kühlmittelführungsstruktur, wodurch die Druckverlust- und Strömungsverhältnisse optimiert werden können.
Eine weitere konkrete Ausgestaltung sieht vor, dass die Kanalabschnitte der ersten Gruppe von Kanalabschnitten über weniger als 60% der Breite der Aufnahmefläche verteilt sind. Wie bereits erläutert, braucht hierdurch der Zulaufquerschnitt nicht auf die gesamte Breite der Aufnahmefläche des Kühlelements aufgeweitet werden, wodurch die Druckverlust- und Strömungsverhältnisse begünstigt werden.
Das erfindungsgemäße Kühlelement weist eine erste Ausnehmung für den Zu- oder Ablauf des Kühlmittels auf, die mit einer ersten Gruppe von Kanalabschnitten verbunden und dieser strömungstechnisch vorgelagert ist. Es ist ferner eine zweite Ausnehmung für den Ab- oder Zulauf des Kühlmittels vorgesehen, die mit der zweiten Gruppe von Kanalabschnitten verbunden und dieser strömungstechnisch nachgelagert ist.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass die ersten Kanalabschnitte parallel zu Resonatorlängsachsen von dem als Laserdiodenbarren ausgebildeten elektronischen Bauelements ausgebildet sind.
In einer weiteren konkreten Ausgestaltung ist die erste Gruppe von Kanalabschnitten über einen ersten Verbindungsabschnitt mit der ersten Ausnehmung verbunden, wobei der erste Verbindungsabschnitt zumindest an einer Stelle eine Breite besitzt, die weniger als 60% der Breite der Aufnahmefläche beträgt. Mit anderen Worten weist der erste Verbindungsabschnitt einen Abschnitt mit einer Einschnürung auf, welcher eine geringere Breite als die erste Ausnehmung aufweist. Durch die Einschnürung ist sichergestellt, dass das aus der ersten Gruppe von Kanalabschnitten ausströmende Kühlmittel über weitere Kanalabschnitte der zweiten Gruppe von Kanalabschnitten zugeführt werden kann.
Insbesondere ist die zweite Gruppe von Kanalabschnitten mit der ersten Gruppe von Kanalabschnitten über folgende Verbindungsabschnitte verbunden:

– einen zweiten Verbindungsabschnitt, der in einer ersten Ebene angeordnet ist, in welcher die erste und die zweite Gruppe von Kanalabschnitten gelegen sind und der mit seinem von der zweiten Gruppe von Kanalabschnitten abgewandten Ende in die Einschnürung des ersten Verbindungsabschnitts ragt,
– einen dritten Verbindungsabschnitt, der in einer dritten Ebene gelegen ist, in welcher die zweite Ausnehmung angeordnet ist,
– einen vierten Verbindungsabschnitt, welcher in einer zweiten Ebene gelegen ist, welche den zweiten und den dritten Verbindungsabschnitt miteinander verbindet, und
– einen fünften Verbindungsabschnitt, welcher in der zweiten Ebene gelegen ist und den dritten Verbindungsabschnitt mit der ersten Gruppe von Kanalabschnitten verbindet.

Konkret bedeutet dies, dass ein erfindungsgemäßes Kühlelement durch die Zusammenschaltung der verschiedenen Verbindungsabschnitte im Querschnitt eine spiralförmige Kühlmittelführungsstruktur aufweist, welche die Verbesserung von Druckverlusten und Strömungsverhältnissen ermöglicht.
Insbesondere ist die zweite Gruppe von Kanalabschnitten ferner über einen sechsten Verbindungsabschnitt in der dritten Ebene mit der zweiten Ausnehmung gekoppelt.
In bekannter Weise sind die erste bis dritte Ebene als Schichten übereinander und zwischen einer oberen und unteren Deckschicht angeordnet. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der dritte Verbindungsabschnitt und/oder der sechste Verbindungsabschnitt jeweils eine Anzahl an parallel verlaufenden zweiten Kanalabschnitten aufweisen, welche über die Breite der Aufnahmefläche verteilt sind. Insbesondere entspricht die Anzahl an zweiten Kanalabschnitten der Anzahl an ersten Kanalabschnitten. Diese Ausgestaltung ermöglicht einen verbesserten Wärmeeintrag in das Kühlelement.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Kanalabschnitte der ersten Gruppe von Kanalabschnitten und/oder die Kanalabschnitte der zweiten Gruppe von Kanalabschnitten eine unterschiedliche Länge aufweisen. Hierbei kann die Länge wenigstens zweier in einer Gruppe benachbarter Kanalabschnitte mit zunehmender Entfernung der Kanalabschnitte von der jeweils anderen Gruppe zunehmen. Diese Ausführungsvariante trägt zusätzlich dazu bei, die Druckverluste und Strömungsverhältnisse zu optimieren.
Eine andere Ausbildung sieht vor, dass das Kühlelement wenigstens eine zweite Kühlmittelführungsstruktur aufweist, die die Merkmale der ersten Kühlmittelführungsstruktur der oben beschriebenen Art aufweist.
Von der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung mit zumindest einem elektronischen Bauelement, insbesondere einer Laserdiode oder einem Laserdiodenbarren oder Stapeln davon, umfasst, welche zumindest ein Kühlelement der oben beschriebenen Art aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist hierbei die gleichen Vorteile auf, wie sie in Verbindung mit dem vorstehenden Kühlelement beschrieben wurden.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren beschrieben. Es zeigen:
1a bis 1d ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kühlmittelführungsstruktur eines erfindungsgemäßen Kühlelements,
2a bis 2d ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kühlmittelführungsstruktur eines erfindungsgemäßen Kühlelements, und
3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einer ersten und einer zweiten Kühlmittelführungsstruktur in einem erfindungsgemäßen Kühlelement.
Die dargestellten Kühlmittelführungsstrukturen sind insofern unvollständig, als dass ihre Verbindung mit Ein- und Auslässen im Kühlelement nicht dargestellt ist.
In der 1, umfassend 1a bis 1d, ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer ersten Kühlmittelführungsstruktur KM1 eines Kühlelements 1 dargestellt. 1a zeigt hierbei eine Draufsicht auf die erste Kühlmittelführungsstruktur, welche sich aus den in den 1b, 1c und 1d übereinander angeordneten parallel zueinander liegenden Ebenen zusammensetzt. Jede der in den 1b bis 1d gezeigten Ebenen kann beispielsweise in einer Schicht S1, S2 und S3 liegen, welche zwischen einer oberen und einer unteren Deckschicht übereinander angeordnet sind. Die in den Ausführungsbeispielen beschriebene Kühlmittelführungsstruktur braucht jedoch nicht zwingend aus übereinander angeordneten Schichten gebildet zu werden. Stattdessen kann die Kühlmittelführungsstruktur z. B. durch Abformen auch im Ganzen gefertigt werden. Wenn in der folgenden Beschreibung deshalb auf Schichten Bezug genommen wird, so ist dies nicht als einschränkend zu verstehen.
Die Kühlmittelführungsstruktur KM1 ist in einem gut wärmeleitenden Material des Kühlelements 1 ausgebildet. Die Randbegrenzungen des Kühlelements 1 sind in den vorliegenden Figuren nicht eingezeichnet, da diese für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung sind. In bekannter Weise weist das Kühlelement 1 jedoch eine Aufnahmefläche 2 auf, deren Abmaße in 1a mit b_A und l_A gekennzeichnet sind. b_A kennzeichnet hierbei die Breite der Aufnahmefläche 2, l_A die Länge der Aufnahmefläche. Die Aufnahmefläche 2 dient zur Aufnahme eines elektronischen Bauelements, wobei im Bereich der Aufnahmefläche 2 aufgrund der Kanalstruktur des Kühlelements 1 eine zuverlässige Kühlung des elektronischen Bauelements sichergestellt ist. Bei dem elektronischen Bauelement (nicht dargestellt) handelt es sich insbesondere um eine Laserdiode oder einen Laserdiodenbarren oder Stapeln davon. Das erfindungsgemäße Kühlelement bzw. die darin ausgebildete Kühlmittelführungsstruktur eignet sich prinzipiell jedoch auch zur Kühlung anderer und/oder mehrerer elektronischer Bauelemente.
Im Bereich der Aufnahmefläche 2 weist die Kühlmittelstruktur KM1 eine erste Anzahl an parallel zueinander verlaufenden ersten Kanalabschnitten 3 auf. Diese sind im Ausführungsbeispiel über die Breite b_A der Aufnahmefläche 2 in etwa gleichförmig verteilt, d. h. die Längsachsen zweier benachbarter Kanalabschnitte 3 weisen jeweils den gleichen Abstand zueinander auf. Die ersten Kanalabschnitte 3 bilden eine Mikrokanalstruktur aus. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt 16 parallel nebeneinander angeordnete erste Kanalabschnitte 3 dargestellt. Grundsätzlich kann auch eine davon abweichende Anzahl an ersten Kanalabschnitten 3 vorgesehen sein.
Eine erste Teilanzahl von acht ersten Kanalabschnitten 3 ist einer ersten Gruppe 11 von Kanalabschnitten zugeordnet. Eine zweite Teilanzahl von acht der ersten Kanalabschnitte ist einer zweiten Gruppe 12 von Kanalabschnitten zugeordnet. Aus strömungstechnischen und druckverlusttechnischen Gründen ist es zweckmäßig, wenn die erste und zweite Teilanzahl der ersten Kanalabschnitte 3, welche der ersten bzw. zweiten Gruppe 11, 12 von Kanalabschnitten zugeordnet ist, identisch gewählt ist. Dies ist jedoch nicht zwingend. Die Kanalabschnitte der ersten Gruppe 11 von Kanalabschnitten sind vorteilhafterweise über weniger als 60% der Breite b_A der Aufnahmefläche 2 verteilt. Die Kanalabschnitte der zweiten Gruppe 12 von Kanalabschnitten sind zweckmäßigerweise über den Rest der Breite b_A der Aufnahmefläche 2 verteilt. Dient das erfindungsgemäße Kühlelement zur Kühlung eines Laserdiodenbarrens, so ist dieser derart auf der Aufnahmefläche 2 angeordnet, dass die ersten Kanalabschnitte 3 parallel zu Resonatorlängsachsen von Emittern des Laserdiodenbarrens ausgerichtet sind. Wie gut aus den 1a und 1b zu erkennen ist, weisen die Kanalabschnitte der ersten Gruppen 11, 12 von Kanalabschnitten eine unterschiedliche Länge auf. Dabei nimmt die Länge wenigstens zweier in einer Gruppe 11, 12 benachbarter Kanalabschnitte mit zunehmender Entfernung der Kanalabschnitte von der jeweils anderen Gruppe zu. Diese Ausgestaltung ist jedoch nicht zwingend. Ebenso könnten die Kanalabschnitte einer oder beider Gruppen gleich lang sein.
Die Zuordnung jeweiliger Kanalabschnitte 3 zu der ersten oder der zweiten Gruppe 11, 12 kann am Besten 1b entnommen werden. Dabei ist gut erkennbar, dass die acht Kanalabschnitte der ersten Gruppe 11 von Kanalabschnitten einander benachbart angeordnet sind. Ferner sind die vier Kanalabschnitte der zweiten Gruppe 12 von Kanalabschnitten einander benachbart angeordnet und links der ersten Gruppe 11 vorgesehen, während die vier Kanalabschnitte der zweiten Gruppe 12, welche ebenfalls einander benachbart sind, rechts der ersten Gruppe 11 von Kanalabschnitten vorgesehen sind. Dabei bilden die vier Kanalabschnitte der zweiten Gruppe 12 von Kanalabschnitten, welche in der Draufsicht links der ersten Gruppe 11 angeordnet sind, eine erste Untergruppe 19 von Kanalabschnitten der zweiten Gruppe 12 und die rechts der ersten Gruppe 11 angeordneten Kanalabschnitte der zweiten Gruppe 12 eine zweite Untergruppe 20 von Kanalabschnitten. Es ist somit ohne Weiteres die bezüglich einer Symmetrieachse 10 symmetrische Anordnung der ersten Kanalabschnitte 3 bzw. der ersten und zweiten Untergruppe 19, 20 bezüglich der ersten Gruppe 11 von Kanalabschnitten erkennbar. Eine erfindungsgemäße Kühlmittelstruktur KM1 könnte allerdings auch lediglich durch den links oder rechts der Symmetrieachse 10 dargestellten Teil ausgebildet sein.
Die Kanalabschnitte der ersten Gruppe 11 von Kanalabschnitten sind über einen ersten Verbindungsabschnitt 13 mit einer ersten Ausnehmung 4, welche einen Zulauf ausbildet, strömungstechnisch verbunden. Dabei sind die Kanalabschnitte der ersten Gruppe 11 von Kanalabschnitten parallel von Kühlmittel durchströmbar. Der erste Verbindungsabschnitt ist beidseitig mit einer Einschnürung 18 versehen, so dass der Verbindungsabschnitt 13 an dieser Stelle eine Breite b_E besitzt, die geringer als 60% der Breite b_A der Aufnahmefläche 2 ist. Insbesondere weist der erste Verbindungsabschnitt 13 im Bereich der Einschnürung 18 eine Breite auf, welche geringer ist als die Breite der ersten Gruppe 11 von Kanalabschnitten. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Breite b_E auch kleiner als eine Breite b_AN1 der ersten Ausnehmung 4, welche durch zwei hufeisenförmig miteinander verbundene Kammern gebildet ist und aus der symmetrischen Gestalt der Kühlmittelführungsstruktur resultiert.
In den Bereich der Einschnürung 18 ragt ein zweiter Verbindungsabschnitt 14, der – wie aus 1b hervorgeht – in der Ebene S1 angeordnet ist, in welcher die erste und die zweite Gruppe 11, 12 von Kanalabschnitten gelegen sind. Das andere Ende des zweiten Verbindungsabschnitts 14 ist mit den Kanalabschnitten der zweiten Gruppe 12 von Kanalabschnitten verbunden, welche in jeder der Untergruppen 19, 20 parallel von Kühlmittel durchströmbar sind. Wie aus der späteren Beschreibung der Kühlmittelführungsstruktur ersichtlich werden wird, sind auch die Untergruppen 19, 20 der zweiten Gruppe 12 von Kanalabschnitten parallel von Kühlmittel durchströmbar. In der ersten Schicht S1 ferner erkennbar ist eine zweite Ausnehmung 6, welche aufgrund der symmetrischen Ausbildung der Kühlmittelführungsstruktur KM1 links und rechts der Symmetrieachse 10 gespiegelt ausgebildet ist. Sowohl die erste Ausnehmung 4 als auch die zweite Ausnehmung 6 durchdringen jeweils die erste Schicht S1, die zweite Schicht S2 (vgl. 1c) und die dritte Schicht S3 (vgl. 1d).
Die zweite Ausnehmung 6, welche einen Ablauf der Kühlmittelführungsstruktur KM1 ausbildet, ist über einen sechsten Verbindungsabschnitt 17 in der dritten Schicht S3 und einen siebten Verbindungsabschnitt 22 in der Schicht S2 mit der zweiten Gruppe 12 von Kanalabschnitten in der ersten Schicht S1 gekoppelt. Die Kanalabschnitte der ersten Gruppe 11 von Kanalabschnitten in der ersten Schicht S1 sind über einen fünften Verbindungsabschnitt 21 in der zweiten Schicht S2 mit einem dritten Verbindungsabschnitt 15 in der dritten Schicht S3 gekoppelt. Der dritte Verbindungsabschnitt 15 ist hierbei strömungstechnisch über einen in der zweiten Schicht S2 liegenden vierten Verbindungsabschnitt 16 mit den in die Einschnürung 18 ragenden Enden des zweiten Verbindungsabschnitts 14 verbunden. Hieraus ergibt sich, dass die Kanalabschnitte der zweiten Gruppe 12 den Kanalabschnitten der ersten Gruppe 11 strömungstechnisch nachgeschaltet sind, wobei die Kanalabschnitte der ersten und zweiten Gruppe 11, 12 von Kanalabschnitten derart miteinander gekoppelt sind, dass diese (zeitlich aufeinander folgend) in der gleichen Richtung von Kühlmittel durchströmbar sind.
Durch diese „spiralähnliche” Kühlmittelführung braucht das aus dem Zulauf in die erste Gruppe 11 von Kanalabschnitten einströmende Kühlmittel nicht über die gesamte Breite b_A der Aufnahmefläche 2 verteilt zu werden. Im Ergebnis ergibt sich eine günstigere Verteilung von Druckverlusten und Strömungsverhältnissen. Der thermische Widerstand des Kühlelements kann im Vergleich zu konventionellen Kühlelementen bei konstantem Gesamtdurchfluss verringert oder bei halbiertem Durchfluss nahezu konstant gehalten werden. Ein erniedrigter Durchfluss ermöglicht Kühlelemente geringerer Abmaße und eine größere Anzahl von Diodenlaserelementen in einem Stapel. Dabei ist ein erfindungsgemäßes Kühlelement kombinierbar mit vorhandenen Mikrokanalstrukturen, einschließlich denen der Kaskadenkühler.
In 1 ist der dritte Verbindungsabschnitt 15, der sich von der ersten Ausnehmung 4 in der dritten Schicht S3 weg erstreckt, als unterbrechungsfreie Kammer ausgebildet. Im Gegensatz dazu weist in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der dritte Verbindungsabschnitt 15 eine Anzahl an parallel verlaufenden Kanalabschnitten auf, die einer ersten Gruppe von zweiten Kanalabschnitten 24 zugeordnet sind. Analog dazu ist in 1 der sechste Verbindungsabschnitt 17, der sich von der zweiten Ausnehmung 6 in der dritten Schicht S3 weg erstreckt, als unterbrechungsfreie Kammer ausgebildet. Im Gegensatz dazu weist in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der sechste Verbindungsabschnitt 17 eine Anzahl an parallel verlaufenden Kanalabschnitten auf, die einer zweiten Gruppe von zweiten Kanalabschnitten 24 zugeordnet sind. Die zweiten Kanalabschnitte 24 sind entsprechend den ersten Kanalabschnitten 3 über die Breite der Aufnahmefläche 2 verteilt.
Um die gegenüber 1 bauliche Änderung des dritten und sechsten Verbindungsabschnitts 15, 17 zu berücksichtigen, sind der fünfte und siebte Verbindungsabschnitt 21 (vgl. 1c) in der Schicht S2 durch achte Verbindungsabschnitte 23 ersetzt, die die ersten Kanalabschnitte 3 in der Schicht S1 mit den zweiten Kanalabschnitten 24 in der Schicht S3 verbinden, wobei deren Anordnung und Anzahl der Anordnung und Anzahl der ersten bzw. zweiten Kanalabschnitte 3, 24 entspricht.
Ebenso wie die Kanalabschnitte der ersten und zweiten Gruppe 11, 12 von Kanalabschnitten eine unterschiedliche Länge aufweisen (bei denen im Ausführungsbeispiel die Länge wenigstens zweier in einer Gruppe benachbarter Kanalabschnitte mit zunehmender Entfernung der Kanalabschnitte von der jeweils anderen Gruppe zunimmt) weisen auch die zweiten Kanalabschnitte 24 eine entsprechende Gestalt auf.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kühlelements 1, welches zwei bezüglich einer Symmetrieachse 25 symmetrisch angeordnete Kühlmittelführungsstrukturen KM1 und KM2 aufweist. Ohne Weiteres ersichtlich ist dabei die im Ausführungsbeispiel nahezu quadratische Aufnahmefläche 2 für das oder die elektronischen Bauelemente, wobei an zwei gegenüber liegenden Seiten der Aufnahmefläche 2 eine Zulauföffnung 4 und an den beiden anderen gegenüber liegenden Seiten der Aufnahmefläche 2 eine Ablauföffnung 6 vorgesehen ist. Die Ausgestaltung der Kühlmittelführungsstruktur KM1 entspricht prinzipiell der des Ausführungsbeispiels in 1a. Gleiches gilt für die Kühlmittelführungsstruktur KM2, welche an der Symmetrieachse 25 gespiegelt ist. Um eine gleichförmige Durchströmung der Kanäle zu erzielen, ist der sechste Verbindungsabschnitt 17 in etwa U-förmig ausgebildet, um seitlich der Aufnahmefläche 2 in die zweite Ausnehmung 6, d. h. den Ablauf, zu münden. Den Ausnehmungen 4 ist wenigstens ein – nicht dargestellter – Einlass des Kühlelements vorangeschaltet. Den Ausnehmungen 6 ist wenigstens ein – nicht dargestellter – Auslass des Kühlelements nachgeschaltet.

1: Kühlelement
2: Aufnahmefläche
3: erste Kanalabschnitte
4: erste Ausnehmung (z. B. Zulauf)
6: zweite Ausnehmung (z. B. Ablauf)
10: Symmetrieachse
11: erste Gruppe von Kanalabschnitten
12: zweite Gruppe von Kanalabschnitten
13: erster Verbindungsabschnitt
14: zweiter Verbindungsabschnitt
15: dritter Verbindungsabschnitt
16: vierter Verbindungsabschnitt
17: sechster Verbindungsabschnitt
18: Einschnürung
19: erste Untergruppe von Kanalabschnitten
20: zweite Untergruppe von Kanalabschnitten
21: fünfter Verbindungsabschnitt
22: siebter Verbindungsabschnitt
23: achter Verbindungsabschnitt
24: zweite Kanalabschnitte
25: Symmetrieachse
b_A: Breite der Aufnahmefläche
l_A: Länge der Aufnahmefläche
b_AN1: Breite der ersten Ausnehmung
b_E: Breite der Einschnürung
KM1: erste Kühlmittelführungsstruktur
KM2: zweite Kühlmittelführungsstruktur
S1: erste Schicht
S2: zweite Schicht
S3: dritte Schicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4315580 A1 [0005, 0006]
- DE 19710716 A1 [0006]
- DE 10047780 A1 [0007, 0012]

Claims

Kühlelement (1) für zumindest ein elektronisches Bauelement, insbesondere eine Laserdiode oder einen Laserdiodenbarren, mit zumindest einer Aufnahmefläche (2) für das zumindest eine elektronische Bauelement, welche sich zumindest über einen Teil der Breite des Kühlelements (1) erstreckt und mit zumindest einer ersten Kühlmittelführungsstruktur (KM1), die folgende Merkmale aufweist: – eine erste Anzahl an im Wesentlichen parallel verlaufenden ersten Kanalabschnitten (3), welche über die Breite (b_A) der Aufnahmefläche (2) verteilt sind und insbesondere eine Mikrokanalstruktur ausbilden, wobei eine erste Teilanzahl der ersten Kanalabschnitte (3) einer ersten Gruppe (11) von Kanalabschnitten und zumindest eine zweite Teilanzahl der ersten Kanalabschnitte (3) einer zweiten Gruppe (12) von Kanalabschnitten zugeordnet sind; – die Kanalabschnitte der zweiten Gruppe (12) den Kanalabschnitten der ersten Gruppe (11) strömungstechnisch nachgeschaltet sind; und – die Kanalabschnitte der ersten und zweiten Gruppe (11, 12) von Kanalabschnitten derart miteinander gekoppelt sind, dass diese in der gleichen Richtung von Kühlmittel durchströmbar sind.
Kühlelement nach Anspruch 1, bei dem die Kanalabschnitte der ersten Gruppe (11) von Kanalabschnitten einander benachbart sind und/oder die Kanalabschnitte der zweiten Gruppe (12) von Kanalabschnitten einander benachbart sind.
Kühlelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kanalabschnitte der ersten Gruppe (11) von Kanalabschnitten und/oder die Kanalabschnitte der zweiten Gruppe (12) von Kanalabschnitten parallel von Kühlmittel durchströmbar sind.
Kühlelement nach Anspruch 3, bei dem von der zweiten Gruppe (12) von Kanalabschnitten eine erste und eine zweite Untergruppe (19, 20) auf einander gegenüberliegenden Seiten der ersten Gruppe (11) von Kanalabschnitten angeordnet und strömungstechnisch parallel geschaltet sind.
Kühlelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Kanalabschnitte der ersten Gruppe (11) von Kanalabschnitten über weniger als 60% der Breite (b_A) der Aufnahmefläche (2) verteilt sind.
Kühlelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem – eine erste Ausnehmung (4) für den Zu- oder Ablauf des Kühlmittels vorgesehen ist, die mit der ersten Gruppe (11) von Kanalabschnitten verbunden und dieser strömungstechnisch vorgelagert ist; und/oder – eine zweite Ausnehmung (6) für den Ab- oder Zulauf des Kühlmittels vorgesehen ist, die mit der zweiten Gruppe (12) von Kanalabschnitten verbunden und dieser strömungstechnisch nachgelagert ist.
Kühlelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die ersten Kanalabschnitte (3) parallel zu Resonatorlängsachsen von Emittern des als Laserdiodenbarren ausgebildeten elektronischen Bauelements ausgerichtet sind.
Kühlelement nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die erste Gruppe (11) von Kanalabschnitten über einen ersten Verbindungsabschnitt (13) mit der ersten Ausnehmung (4) verbunden ist, wobei der erste Verbindungsabschnitt (13) zumindest an einer Stelle (18) ein Breite (b_E) besitzt, die weniger als 60% der der Breite (b_A) der Aufnahmefläche beträgt.
Kühlelement nach Anspruch 8, bei dem die zweite Gruppe (12) von Kanalabschnitten mit der ersten Gruppe (11) von Kanalabschnitten über folgende Verbindungsabschnitte verbunden ist: – einen zweiten Verbindungsabschnitt (14), der in einer ersten Ebene (S1) angeordnet ist, in welcher die erste und die zweite Gruppe (11, 12) von Kanalabschnitten gelegen sind, und der mit seinem von der zweiten Gruppe (12) von Kanalabschnitten abgewandten Ende in die Einschürung (18) des ersten Verbindungsabschnitts (13) ragt, – einen dritten Verbindungsabschnitt (15), der in einer dritten Ebene (S3) gelegen ist, in welcher die zweite Ausnehmung (6) angeordnet ist, – einen vierten Verbindungsabschnitt (16), welcher in einer zweiten Ebene (S2) gelegen ist, welche den zweiten und den dritten Verbindungsabschnitt (14, 15) miteinander verbindet, und – einen fünften Verbindungsabschnitt (21), welcher in der zweiten Ebene (S2) gelegen ist und den dritten Verbindungsabschnitt (15) mit der ersten Gruppe (11) von Kanalabschnitten verbindet.
Kühlelement nach Anspruch 9, bei dem die zweite Gruppe (12) von Kanalabschnitten über einen sechsten Verbindungsabschnitt (17) in der dritten Ebene (S3) mit der zweiten Ausnehmung (6) gekoppelt ist.
Kühlelement nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die erste bis dritte Ebene als Schichten (S1, S2, S3) übereinander und zwischen einer oberen und unteren Deckschicht angeordnet sind.
Kühlelement nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der dritte Verbindungsabschnitt (15) und/oder der sechste Verbindungsabschnitt (17) jeweils eine Anzahl an parallel verlaufenden zweiten Kanalabschnitten (24) aufweisen, welche über die Breite (b_A) der Aufnahmefläche (2) verteilt sind.
Kühlelement nach Anspruch 12, bei dem die Anzahl an zweiten Kanalabschnitten (24) der Anzahl an ersten Kanalabschnitten (3) entspricht.
Kühlelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Kanalabschnitte der ersten Gruppe (11) von Kanalabschnitten und/oder die Kanalabschnitte der zweiten Gruppe (12) von Kanalabschnitten eine unterschiedliche Länge aufweisen.
Kühlelement nach Anspruch 14, bei dem die Länge wenigstens zweier in einer Gruppe (11, 12) benachbarter Kanalabschnitte mit zunehmender Entfernung der Kanalabschnitte von der jeweils anderen Gruppe zunimmt.
Kühlelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem wenigstens eine zweite Kühlmittelführungsstruktur (KM2) vorgesehen ist, die die Merkmale der ersten Kühlmittelführungsstruktur (KM1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche aufweist.
Vorrichtung mit zumindest einem elektronischen Bauelement, insbesondere einer Laserdiode oder einem Laserdiodenbarren, und mit zumindest einem Kühlelement (1), das nach einem der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist.