DE102017217105A1

DE102017217105A1 - Kühlvorrichtung und Verfahren zur Kühlung eines zu kühlenden Elements

Info

Publication number: DE102017217105A1
Application number: DE102017217105.7A
Authority: DE
Inventors: Dmitriy Mikhaylov; Damir Shakirov
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2019-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (10) zur Kühlung eines zu kühlenden Elements (16), wobei die Kühlvorrichtung (10) ein Wärmeableiter (12) sowie ein Wärmeübergangselement (14) aufweist, wobei das Wärmeübergangselement (14) mit dem Wärmeableiter (12) verbunden ist und eine Kontaktfläche (15) aufweist, welche zur Verbindung mit dem zu kühlenden Element (16) eingerichtet ist. Ferner ist vorgesehen, dass eine Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements (14) von der Kontaktfläche (15) zum Wärmeableiter (12) über die Kontaktfläche (15) gesehen lokal variiert.Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines zu kühlenden Elements 16, bei dem eine Kontaktfläche (15) einer Kühlvorrichtung (10) mit einer zu kühlenden Fläche 17 des kühlenden Elements (16) verbunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung eines zu kühlenden Elements, wobei die Kühlvorrichtung einen Wärmeableiter sowie ein Wärmeübergangselement aufweist, wobei das Wärmeübergangselement mit dem Wärmeableiter verbunden ist und eine Kontaktfläche aufweist, welche zur Verbindung mit dem zu kühlenden Element eingerichtet ist. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines zu kühlenden Elements bei dem die Kontaktfläche einer solchen Kühlvorrichtung mit einer zu kühlenden Fläche des zu kühlenden Elements verbunden wird.
Stand der Technik
Bei verschieden technischen Elementen tritt eine inhomogene Erwärmung dieses Elements auf. Beispielsweise im Bereich der Optik sind insbesondere bei strahlführenden Systemen inhomogene Erwärmungen bestimmter Elemente wie insbesondere Spiegel, Linsen und Gitter bekannt. Diese Erwärmung wird in der Regel von einer thermischen Ausdehnung begleitet, welche zu einer Veränderung der Eigenschaften des jeweiligen Elements führt.
Aus WO 2012/125830 A1 ist bekannt, ein optisches Element ortsaufgelöst zu kühlen. Bei dem optischen Element kann es sich beispielsweise um einen Spiegel mit einer Vielzahl von Facetten handeln. Für eine ortsaufgelöste Kühlung sind mehrere Kühlkanäle vorgesehen, die jeweils eine Facette oder eine Gruppe von Facetten des Spiegels unterschiedlich stark kühlen. In einem Beispiel werden drei Kühlzonen verwendet, wobei die Kanäle jeder Zone unterschiedliche Geometrien aufweisen.
Aus WO 2015/132198 A1 ist ein optisches Element bekannt, welches ein Substrat und eine Beschichtung umfasst. Die Beschichtung umfasst mehrere Lagen, mit der sich die Reflexion von Wärmestrahlung unterdrücken lässt. Eine Vielzahl von Quellen für Wärmestrahlung ist in Form einer Gitterstruktur angeordnet und eingerichtet, Wärmestrahlung in das Substrat einzukoppeln. Die Quellen für Wärmestrahlung in der Gitterstruktur werden gezielt angesteuert, um das Substrat ortsaufgelöst zu heizen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Kontrolle der Temperatur eines Elements erreichen nur eine geringe Ortsauflösung, oder erlauben keine gezielte Kühlung, so dass Bedarf nach Vorrichtungen und Verfahren besteht, Elemente genau an dem Ort der Wärmeentstehung zu kühlen, um durch inhomogene Erwärmung bedingte Eigenschaftsänderungen zu vermeiden.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Kühlvorrichtung zur Kühlung eines zu kühlenden Elements vorgeschlagen, wobei die Kühlvorrichtung einen Wärmeableiter sowie ein Wärmeübergangselement aufweist, wobei das Wärmeübergangselement mit dem Wärmeableiter verbunden ist und eine Kontaktfläche aufweist, welche zur Verbindung mit dem zu kühlenden Element eingerichtet ist. Ferner ist vorgesehen, dass eine Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements von der Kontaktfläche zum Wärmeableiter über die Kontaktfläche gesehen lokal variiert.
Bei dem Wärmeableiter handelt es sich beispielsweise um einen Kühlkörper, welcher eingerichtet ist, Wärme, die über das Wärmeübergangselement auf den Wärmeableiter übertragen wurde, an die Umwelt abzuführen. Ein derartiger Kühlkörper besteht bevorzugt aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium und verfügt bevorzugt über eine Vielzahl von Rippen, um eine Oberfläche des Kühlkörpers zu vergrößern und damit eine Übertragung von Wärme an die Umgebung zu fördern. Wird die Wärme beispielsweise an Umgebungsluft abgegeben, kann die Wärmeübertragung mittels eines durch einen Lüfter oder Ventilator erzeugten Luftstroms weiter verbessert werden.
Bei dem Wärmeableiter kann es sich insbesondere auch um einen Wärmeübertrager handeln, über den Wärme, welche über das Wärmeübergangselement auf den Wärmeableiter übertragen wurde, an ein den Wärmeübertrager durchströmendes Fluid übertragen wird.
Bei dem Wärmeableiter kann es sich auch um eine Kombination aus einem Kühlkörper und einem Wärmeübertrager handeln und es können beispielsweise auch Wärmerohre (Heatpipes) eingesetzt werden, um Wärme rasch im Wärmeableiter zu verteilen und damit eine Abfuhr der Wärme an die Umgebung zu fördern.
Bei dem Wärmeübergangselement handelt es sich um ein zwischen dem zu kühlenden Element und dem Wärmeableiter angeordnetes Bauelement, welches eingerichtet ist, Wärme von der Kontaktfläche des Wärmeübergangselements, welches direkt oder indirekt mit dem zu kühlenden Element in Verbindung steht, an den mit dem Wärmeübergangselement verbundene Wärmeableiter zu übertragen.
Zwischen der Kontaktfläche und dem zu kühlenden Element kann zur Verbesserung der Wärmeübertragung von dem zu kühlenden Element auf das Wärmeübergangselement Wärmeleitpaste oder ein Klebstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet werden. Sofern die Kontaktfläche des Wärmeübertragungselements sowie eine zu kühlende Fläche des zu kühlenden Elements, welche mit der Kontaktfläche in Verbindung steht, passgenau aufeinander abgestimmt sind, so dass insbesondere keine Hohlräume durch Oberflächenunebenheiten auftreten, kann gegebenenfalls auch auf das Verwenden von Wärmeleitpaste bzw. Wärmeleitkleber verzichtet werden.
Die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements kann anisotrop sein, also von der Richtung, in der die Wärme geleitet werden soll, abhängig sein. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements in einer Richtung von der Kontaktfläche zu dem Wärmeableiter gesehen über die Kontaktfläche gesehen lokal variiert. Das heißt, die Wärmeleitfähigkeit in Richtung des Wärmeableiters variiert ortsaufgelöst bzw. lokal in einer durch die Kontaktfläche definierten Ebene.
Über die lokale Variation der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements kann ortsaufgelöst die vom zu kühlenden Element über das Wärmeübergangselement auf den Wärmeableiter übertragene Menge an Wärme gezielt gesteuert werden. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Wärmeleitfähigkeit lokal in den Bereichen der Kontaktfläche, die einen stark erwärmten Bereich des zu kühlenden Elements gegenüberliegen, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und Bereiche des Übergangselements, welche Bereichen des zu kühlenden Elements gegenüberliegen, bei denen nur geringe Wärme entsteht, eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Das Wärmeübergangselement ist bevorzugt einstückig ausgestaltet, so dass das Wärmeübergangselement eine zusammenhängende Schicht darstellt.
In dem Wärmeübergangselement soll die Wärmeleitung hauptsächlich in einer Richtung von der Kontaktfläche zum Wärmeableiter erfolgen und soll nicht innerhalb der Wärmeleitungsschicht zu den Seiten spreizen. Daher ist es bevorzugt, das Wärmeübergangselement dünn auszugestalten, das heißt die Stärke des Wärmeübergangselements in einer Richtung von der Kontaktfläche zum Wärmeableiter gesehen soll bevorzugt im Bereich von 10 µm bis 1000 µm betragen. Die Stärke des Wärmeübergangselements wird dabei insbesondere in Abhängigkeit der abzuführenden Wärme, der Geometrie des zu kühlenden Elements sowie der Art der Wärmeeinbringung in das zu kühlende Element gewählt.
Bevorzugt wird die Variation der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements durch Variieren einer Zusammensetzung des Wärmeübergangselements und/oder durch Variieren einer Porosität des Wärmeübergangselements fest vorgegeben.
In einer Ausführungsvariante kann beispielsweise das Wärmeübergangselement ein gesinterter Körper sein, welcher durch Sintern eines Pulvers mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Dabei kann in dem fertigen gesinterten Körper die Dichte variiert werden. Bereiche, in denen eine hohe Wärmeleitfähigkeit gefordert ist, weisen eine hohe Materialdichte und entsprechend eine geringe Anzahl an Poren und Hohlräumen auf. Umgekehrt weisen die Bereiche, in denen eine geringe Leitfähigkeit eingestellt werden soll, eine geringe Dichte und eine Porosität und große Anzahl an Hohlräumen auf.
Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind insbesondere Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 100 W/(m · K). Beispiele hierfür sind Kupfer, Aluminium, Silber und Graphit.
Wird beispielsweise Kupfer als Material für das Wärmeübergangselement gewählt, so beträgt die Wärmeleitfähigkeit in den Bereichen, an denen das Wärmeübergangselement massiv, also nicht-porös ausgeführt ist, ca. 400 W/(m . K). Durch das gezielte Einbringen von Poren kann die Wärmeleitfähigkeit beispielsweise auf etwa 5 bis 10 W/(m · K) gesenkt werden.
In einer weiteren Ausführungsvariante können in einem Matrixmaterial mit definierter Wärmeleitfähigkeit weitere Materialien mit davon abweichender Wärmeleitfähigkeit eingebettet werden. Durch die Auswahl der einzubettenden Materialien und einer räumlichen Variation der Menge der eingebetteten Materialien kann dann die Wärmeleitfähigkeit gezielt lokal variiert werden. Hierbei ist es beispielsweise möglich, ein Metallpulver als Füllstoff in einen Kunststoff einzubetten, wobei Bereiche, welche eine hohe Menge an Metallpulver als Füllstoff aufweisen eine größere Wärmeleitfähigkeit zeigen als Bereiche, in denen nur eine geringe Menge des Metallpulvers als Füllstoff eingebettet ist.
Als Matrixmaterial kann insbesondere ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit gewählt werden. Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit weisen eine Wärmeleitfähigkeit von bevorzugt weniger als 10 W/(m · K) und besonders bevorzugt von weniger als 1 W(m · K) auf. Geeignete Matrixmaterialien sind beispielsweise thermoplastische oder duroplastische Kunststoffe sowie Elastomere.
Bevorzugt besteht das Wärmeübergangselement aus mindestens zwei verschiedenen Materialien, deren Wärmeleitfähigkeit jeweils verschieden ist, wobei eine Verteilung der mindestens zwei verschiedenen Materialien in dem Wärmeübertragungselement zum Einstellen der lokalen Variation der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements räumlich variiert.
Alternativ ist es bevorzugt, eine lokale Variation der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements mittels eines elektrischen Signals einzustellen.
In einer Ausführungsvariante umfasst das Wärmeübergangselement hierzu in dieser Reihenfolge eine erste Elektrodenschicht, eine schaltbare Schicht und eine zweite Elektrodenschicht, wobei eine Wärmeleitfähigkeit der schaltbaren Schicht über ein von dem elektrischen Signal abhängiges elektrisches Feld steuerbar ist. Die Schichtstruktur ist dabei in einer Richtung gestapelt, die parallel zu einer Richtung von der Kontaktfläche des Wärmeübergangselements zu dem Wärmeableiter weist.
Die erste und/oder zweite Elektrodenschicht ist bevorzugt strukturiert und in mindestens zwei Zonen unterteilt, welche getrennt voneinander mit einem elektrischen Signal beaufschlagt werden können. Die Anzahl und Form der Zonen wird dabei an die geforderte Genauigkeit der ortsaufgelösten Einstellung der Wärmeleitfähigkeit angepasst. Insbesondere ist es dabei möglich, durch entsprechende Strukturierung der ersten Elektrodenschicht und/oder der zweiten Elektrodenschicht eine Array-Anordnung herzustellen, bei der eine Vielzahl von Zonen entsteht, die jeweils getrennt voneinander abhängig von dem elektrischen Signal mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden können. Diese Array-Anordnung kann analog zu den Pixel-Elektroden eingerichtet sein, welche im Zusammenhang mit Flüssigkristallbildschirmen bekannt sind. Eine der Elektrodenschichten ist bevorzugt als gemeinsame Elektrode ausgeführt und dient als Masseanschluss. Die andere Elektrodenschicht weist bevorzugt eine pixelförmige Struktur auf, wobei jedes Pixel individuell ansteuerbar ist.
Bevorzugt umfasst die schaltbare Schicht Kohlenstoffnanoröhren, wobei die Wärmeleitfähigkeit der schaltbaren Schicht von der Kontaktfläche in Richtung des Wärmeableiters gesehen von einer Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhren abhängig ist, und wobei die Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhren in der schaltbaren Schicht über das elektrische Feld steuerbar ist.
Bei Kohlenstoffnanoröhren handelt es sich um mikroskopisch kleine röhrenförmige Gebilde aus Kohlenstoff, deren Durchmesser üblicherweise im Bereich von 1 bis 50 nm liegt und eine Länge aufweisen, die wesentlich größer als deren Durchmesser ist, beispielsweise im Bereich von 500 nm bis 500 µm. Die Wärmeleitfähigkeit der Kohlenstoffnanoröhren ist in einer Richtung parallel zu ihrer Längsrichtung wesentlich größer als deren Wärmeleitfähigkeit quer zur Längsrichtung. Die Wärmeleitfähigkeit in Querrichtung beträgt üblicherweise weniger als 1,5 W/(m · K), während die Wärmeleitfähigkeit in Längsrichtung bei Raumtemperatur etwa 6000 W/(m · K) beträgt. Somit lässt sich eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements in einer Richtung von der Kontaktfläche zum Wärmeableiter gesehen erreichen, wenn die Kohlenstoffnanoröhren mit ihrer Längsachse parallel zu dieser Richtung ausgerichtet sind. Umgekehrt lässt sich eine geringe Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements in einer Richtung von der Kontaktfläche zum Wärmeableiter einstellen, wenn die Kohlenstoffnanoröhren quer zur dieser Richtung ausgerichtet sind. Um eine Ausrichtung bei Kohlenstoffnanoröhren abhängig von einem elektrischen Feld zu ermöglichen, ist es bevorzugt, die Kohlenstoffnanoröhren mit stark elektronegativen Molekülen zu versehen. Hierzu ist beispielsweise Fluor geeignet. Das aus dem Kohlenstoffnanoröhren und dem stark elektronegativen Molekül gebildete Molekül lässt sich dann in einem entsprechenden elektrischen oder magnetischen Feld ausrichten. Die so modifizierten Kohlenstoffnanoröhren werden bevorzugt in einen gelförmigen Kunststoff wie Polyethylenglycol (PEG) eingebettet.
In einer alternativen Ausführungsvariante ist das Wärmeübergangselement ein mikroelektromechanisches Systems (MEMS), welches eine Vielzahl von Mikrokavitäten aufweist, welche mit einem wärmeleitenden Fluid befüllbar sind, wobei eine Füllung der Mikrokavitäten mit dem wärmeleitenden Fluid abhängig von dem elektrischen Signal steuerbar ist. Dazu weisen die Mikrokavitäten jeweils einen mikroelektromechanischen Verschluss auf, welcher abhängig von dem elektrischen Signal geschlossen bzw. geöffnet werden kann. Des Weiteren ist in dem Wärmeübergangselement eine Fluidquelle vorgesehen, mit der wärmeleitendes Fluid zu den Mikrokavitäten geleitet werden kann. Als wärmeleitendes Fluid wird bevorzugt deionisiertes Wasser verwendet.
Das wärmeleitende Fluid hat bevorzugt zwei Funktionen. Es dient zum einen als Kühlmittel zur globalen Wärmeableitung. Zum anderen dient es der Einstellung der lokalen Wärmeleitfähigkeit mithilfe der Mikrokavitäten.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kühlen eines zu kühlenden Elements anzugeben. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine Kontaktfläche einer der beschriebenen Kühlvorrichtungen mit einer zu kühlenden Fläche des zu kühlenden Elements verbunden. Hierbei kann zwischen der Kontaktfläche der Kühlvorrichtung und der zu kühlenden Fläche des zu kühlenden Elements gegebenenfalls eine Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitkleber angeordnet werden.
Bei dem zu kühlenden Element handelt es sich beispielsweise um ein Element, in das Wärme inhomogen eingebracht wird oder in dem Wärme inhomogen verteilt entsteht, so dass an der Kontaktfläche ein inhomogenes Temperaturprofil vorliegt. Dabei ist im Rahmen des Kühlverfahrens vorgesehen, dass eine Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements von der Kontaktfläche zu dem Wärmeableiter gesehen über die Kontaktfläche gesehen derart variiert, dass an der Kontaktfläche bzw. an der zu kühlenden Fläche und/oder in dem zu kühlenden Element ein vorgegebenes Temperaturfeld eingestellt wird.
Bei dem zu kühlenden Element handelt es sich beispielsweise um eine optische Komponente, welche ausgewählt ist aus einem Spiegel, einer Linse, einem optischen Gitter oder einem reflektierenden räumlichen Lichtmodulator (spatial light modulator SLM). Diese optischen Komponenten werden beispielsweise zur Führung von Licht oder Laserstrahlen eingesetzt, wobei durch die Einwirkungen des Lichts bzw. des Lasers Wärme inhomogen auf diese optische Komponente übertragen wird. Durch eine inhomogene Einwirkung von Wärme führt eine begleitende Wärmeausdehnung zu einer Änderung der Eigenschaften der optischen Komponente. Durch Einstellen eines gewünschten Temperaturprofils auf der Kontaktfläche der Kühlvorrichtung bzw. auf der zu kühlenden Fläche der zu kühlenden Komponente, kann einer unerwünschten Verformung der zu kühlenden Komponente entgegengewirkt werden.
Insbesondere bei optischen Komponenten, die von einem auf diese wirkenden Licht- bzw. Laserstrahl geheizt werden, kann bei dem Verfahren vorteilhafterweise eine vorgegebene Temperaturverteilung bzw. ein vorgegebenes Temperaturfeld auf der geheizten Oberfläche des zu kühlenden Elements eingestellt werden.
Bei der zu kühlenden Komponente kann es sich beispielsweise auch um elektronische Bauelemente handeln, bei denen die Wärme inhomogen entsteht.
Bei dem zu kühlenden Element kann es sich beispielsweise auch um einen Reaktor handeln, in dem biologische oder chemische Reaktionen ablaufen. Die Kühlvorrichtung wird in diesem Fall derart ausgestaltet, dass diese von außen an den Reaktor anschließt und dadurch die Temperaturverteilung innerhalb des Reaktors gezielt einstellen kann.
Vorteile der Erfindung
Die vorgeschlagene Kühlvorrichtung ermöglicht es eine übliche Einrichtung zur Wärmeableitung derart zu modifizieren, dass eine Kühlwirkung ortsaufgelöst eingestellt werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Wärmeübergangselement, welches zwischen dem Wärmeableiter und dem zu kühlenden Element angeordnet wird, eine ortsaufgelöst variierende Wärmeleitfähigkeit aufweist. Auf diese Weise kann ein Wärmeableiter verwendet werden, welcher eine große Kühlleistung aufweist, jedoch nicht ortsaufgelöst gesteuert werden kann.
Je nach Anwendungszweck kann die lokale Variation der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements schon bei der Produktion des Wärmeübergangselements fest vorgegeben werden oder alternativ im laufenden Betrieb der Kühlvorrichtung gezielt gesteuert werden.
Wird die Kühlvorrichtung zur Kühlung von optischen Elementen wie beispielsweise Spiegeln eingesetzt, so können die Eigenschaften des Spiegels konstant gehalten werden, indem in den Bereichen, die sich beispielsweise durch Einwirkung eines Laserstrahls stark erwärmen, durch Verbessern der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements die Kühlwirkung lokal verstärkt wird. Vorteilhafterweise wird dabei die Temperatur benachbarter Bereiche des Spiegels, welche nicht durch den Laser erwärmt werden, nicht weiter abgesenkt. Es kann somit auch bei ungleichmäßiger Einwirkung von Wärme auf das zu kühlende Element ein gewünschtes Temperaturprofil eingehalten werden und damit die Eigenschaften des zu kühlenden Elements garantiert werden.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Kühlvorrichtung und eines zu kühlenden Elements,
2 eine Draufsicht auf ein Wärmeübergangselement,
3a eine Kühlvorrichtung mit einer ersten Ausführungsform des Wärmeübergangselements,
3b eine Darstellung der lokalen Variation der Wärmeleitfähigkeit,
4 eine Kühlvorrichtung mit einer zweiten Ausführungsform des Wärmeübergangselements,
5a eine dritte Ausführungsform des Wärmeübergangselements,
5b eine vierte Ausführungsform des Wärmeübergangselements und
5c eine fünfte Ausführungsform des Wärmeübergangselements.

Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Kühlvorrichtung 10, welche einen Wärmeableiter 12 sowie ein Wärmeübergangselement 14 umfasst. Das Wärmeübergangselement 14 weist eine Kontaktfläche 15 auf, welche zur Verbindung mit einem zu kühlenden Element 16 eingerichtet ist. Das zu kühlende Element 16 weist eine zu kühlende Fläche 17 auf, welche mit der Kontaktfläche 15 in Verbindung steht.
Der Wärmeableiter 12 ist als Kühlkörper oder als Wärmeübertrager ausgestaltet und eingerichtet, die auf den Wärmeableiter 12 übertragene Wärme abzuführen bzw. an die Umgebung abzugeben.
Das Wärmeübergangselement 14 ist eingerichtet, Wärme von der Kontaktfläche 15 in Richtung des Wärmeableiters 12 zu leiten, diese Richtung ist in der 1 als Z-Richtung markiert.
2 zeigt das Wärmeübergangselement 14 in einer Draufsicht, so dass die Kontaktfläche 15 sichtbar ist. Das Wärmeübergangselement 14 ist dabei derart ausgestaltet, dass die Wärmeleitfähigkeit A in Z-Richtung also in einer Richtung von der Kontaktfläche 15 in Richtung des Wärmeableiters 12 gesehen, entlang der Ebene der Kontaktfläche 15 gesehen variiert. Die Kontaktfläche 15 liegt in der Darstellung der 2 in der XY-Ebene, so dass entsprechend die Wärmeleitfähigkeit λ des Wärmeübergangselements 14 eine Funktion von X und Y ist. Die X-Richtung verläuft dabei rechtwinklig zur Z-Richtung und die Y-Richtung verläuft echtwinklig zu den X- und Z-Richtungen. Mit dem Buchstaben A ist in der 2 ein Schnitt entlang der XZ-Ebene markiert.
3a zeigt die Kühlvorrichtung 10 mit einer ersten Ausführungsform des Wärmeübergangselements 14. Das Wärmeübergangselement 14 umfasst in dieser Reihenfolge in Z-Richtung gesehen eine erste Elektrodenschicht 20, eine schaltbare Schicht 18 und eine zweite Elektrodenschicht 22. Die erste Elektrodenschicht 20 und die zweite Elektrodenschicht 22 sind dabei jeweils strukturiert, so dass eine Vielzahl von schaltbaren Bereichen 26 definiert ist, in denen durch Anlegen einer elektrischen Spannung U ein elektrisches Feld erzeugt werden kann.
Abhängig von dem in dem jeweiligen schaltbaren Bereich 26 wirkenden elektrischen Feld, wird die Wärmeleitfähigkeit λ der schaltbaren Schicht 18 innerhalb des entsprechenden schaltbaren Bereichs 26 beeinflusst. Hierzu umfasst die schaltbare Schicht 18 Kohlenstoffnanoröhren 24, welche gegebenenfalls durch Modifikation mit einem stark elektronegativen Molekül, wie zum Beispiel Fluor, über das wirkende elektrische Feld beeinflussbar sind. Unter Ausnutzung der stark unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit λ der Kohlenstoffnanoröhren 24 parallel zu ihrer Längsachse und quer zu ihrer Längsachse, kann dann durch gezieltes Ausrichten der Kohlenstoffnanoröhren 24 in dem jeweiligen schaltbaren Bereich 26 die Wärmeleitfähigkeit λ der schaltbaren Schicht 18 und damit des Wärmeübergangselements 14 derart beeinflusst werden, dass die Wärmeleitfähigkeit λ des Wärmeübergangselements 14 in Z-Richtung ortsaufgelöst variiert, also eine Funktion von X und Y ist.
In 3b ist die Wärmeleitfähigkeit λ des Wärmeübergangselements 14 in Z-Richtung für den in 2 mit dem Bezugszeichen A markierten Schnitt dargestellt. Das Diagramm der 3b zeigt somit die Wärmeleitfähigkeit λ gegen die X-Koordinate für die in 3a dargestellte beispielhafte Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhren 24 in den jeweiligen schaltbaren Bereichen 26.
Dem Diagramm der 3b lässt sich entnehmen, dass die Wärmeleitfähigkeit λ gering ist, wenn die Kohlenstoffnanoröhren 24 quer zur Z-Richtung ausgerichtet sind, und dass die Wärmeleitfähigkeit λ maximal wird, wenn die Kohlenstoffnanoröhren 24 parallel zur Z-Richtung ausgerichtet sind.
4 zeigt eine Kühlvorrichtung 10 mit einer zweiten Ausführungsform des Wärmeübergangselements 14. Das Wärmeübergangselement 14 ist dabei als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgestaltet, welches eine Vielzahl von Mikrokavitäten 28 umfasst. Die Mikrokavitäten 28 sind auf der Seite, welche der Kontaktfläche 15 zugewandt ist, verschlossen. Auf einer von der Kontaktfläche 15 abgewandten Seite weisen die Mikrokavitäten 28 jeweils einen mikroelektromechanischen Verschluss 34, 34' auf.
Der Wärmeableiter 12 weist in dieser zweiten Ausführungsform eine Sprühvorrichtung 32 auf, welche eine Strömung eines wärmeleitenden Fluids 30 erzeugt, die gegen das Wärmeübergangselement 14 gerichtet ist, also als Staupunktströmung ausgestaltet ist. Alternativ hierzu könnte die Fluidführung in dem Wärmeableiter 12 auch derart ausgestaltet sein, dass das wärmeleitende Fluid 30 seitlich an den Mikrokavitäten 28 vorbeiströmt.
Die Mikrokavitäten 28 definieren jeweils unabhängig voneinander schaltbare Bereiche 26 in dem Wärmeübergangselement 14, wobei sich eine lokale Variation der Wärmeleitfähigkeit λ des Wärmeübergangselements 14 in Z-Richtung durch Öffnen bzw. Schließen des jeweiligen mikroelektromechanischen Verschlusses 34, 34' einstellen lässt. In der Darstellung der 4 sind vier geöffnete mikroelektromechanische Verschlüsse 34' eingezeichnet, so dass in die zu den geöffneten mikromechanischen Verschlüssen 34' gehörenden Mikrokavitäten 28 das wärmeleitende Fluid 30 eindringen kann. In den dazugehörigen schaltbaren Bereichen 26 kann somit Wärme von der Kontaktfläche 15 aus auf das wärmeleitende Fluid 30 übertragen werden und mit dem wärmeleitenden Fluid 30 zusammen abgeführt werden.
Bei geschlossenen mikroelektromechanischen Verschlüssen 34 kann kein wärmeleitendes Fluid 30 in die entsprechende Mikrokavität 28 eindringen, so dass die entsprechende Mikrokavität 28 entweder unbefüllt bleibt, wobei beispielsweise Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, oder, sofern sich noch wärmeleitendes Fluid 30 in der entsprechenden Mikrokavität 28 befinden sollte, das entsprechende wärmeleitende Fluid 30 nicht abfließen kann und somit eine Wärmeleitung nicht durch Konvektion unterstützt werden kann.
Die in 4 schematisch dargestellten Mikrokavitäten 28 und mikroelektromechanischen Verschlüsse 34, 34', können beispielsweise in Form eines entsprechend strukturierten Siliziumchips ausgestaltet sein, wobei die mikroelektromechanischen Verschlüsse 34, 34' beispielsweise als elektrostatisch steuerbare Membrane ausgestaltet sein können.
5a zeigt eine dritte Ausführungsform des Wärmeübergangselements 14. Das Wärmeübergangselement 14 der dritten Ausführungsform wird aus einem pulverförmigen Werkstoff zusammengesintert, wobei die Dichte des Wärmeübergangselements 14 die lokale Variation der Wärmeleitfähigkeit λ bestimmt. Die Bereiche, an denen ein Material mit großer Wärmeleitfähigkeit 38 vorhanden ist, leiten die Wärme besser, als die mit Luft gefüllten Hohlräume bzw. Poren 36. Als Material mit großer Wärmeleitfähigkeit 38 kann beispielsweise ein Metallpulver wie Aluminiumpulver oder Kupferpulver eingesetzt werden.
5b zeigt eine vierte Ausführungsform des Wärmeübergangselements 14, bei dem ein Füllmaterial in einem Matrixmaterial 40 eingebettet ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Matrixmaterial 40 eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf und das Füllmaterial ist beispielsweise ein Material mit großer Wärmeleitfähigkeit 38. Bei dem Matrixmaterial 40 mit geringer Wärmeleitfähigkeit handelt es sich beispielsweise um einen Kunststoff, in dem ein Metallpulver als Füllstoff eingebettet wird. Die lokale Variation der Menge des eingebetteten Metallpulvers beeinflusst dann die lokale Variation der Wärmeleitfähigkeit λ des Wärmeübergangselements 14.
5c zeigt eine fünfte Ausführungsform des Wärmeübergangselements 14. In ein Matrixmaterial 40 mit geringer Wärmeleitfähigkeit werden sowohl ein Material mit großer Wärmeleitfähigkeit 38 als auch ein Material mit mittlerer Wärmeleitfähigkeit 42 eingebettet. Dazu liegen beispielsweise das Material mit großer Wärmeleitfähigkeit 38 und das Material mit mittlerer Wärmeleitfähigkeit 42 in Pulverform vor und werden beispielsweise in einen Kunststoff als Matrixmaterial 40 mit geringer Wärmeleitfähigkeit eingebettet. Wiederum gibt dabei die Verteilung der jeweiligen verwendeten Materialien innerhalb des Wärmeübergangselements 14 die lokale Variation der Wärmeleitfähigkeit vor.
In den Ausführungsformen der 5a, 5b und 5c ist die lokale Variation der Wärmeleitfähigkeit λ des Wärmeübergangselements 14 in Z-Richtung jeweils fest bei der Produktion des Wärmeübergangselements 14 vorgegeben.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/125830 A1 [0003]
WO 2015/132198 A1 [0004]

Claims

Kühlvorrichtung (10) zur Kühlung eines zu kühlenden Elements (16), wobei die Kühlvorrichtung (10) einen Wärmeableiter (12) sowie ein Wärmeübergangselement (14) aufweist, wobei das Wärmeübergangselement (14) mit dem Wärmeableiter (12) verbunden ist und eine Kontaktfläche (15) aufweist, welche zur Verbindung mit dem zu kühlenden Element (16) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements (14) von der Kontaktfläche (15) zum Wärmeableiter (12) über die Kontaktfläche (15) gesehen lokal variiert.
Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Variation der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements (14) durch Variieren einer Zusammensetzung des Wärmeübergangselements (14) und/oder durch Variieren einer Porosität des Wärmeübergangselements (14) fest vorgegeben ist.
Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübergangselement (14) aus mindestens zwei verschiedenen Materialien (38, 40, 42) besteht, deren Wärmeleitfähigkeit jeweils verschieden ist, wobei eine Verteilung der mindestens zwei verschiedenen Materialien in dem Wärmeübertragungselement (14) zum Einstellen der lokalen Variation der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements (14) räumlich variiert.
Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Variation der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements (14) mittels eines elektrischen Signals einstellbar ist.
Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübergangselement (14) in dieser Reihenfolge eine erste Elektrodenschicht (20), eine schaltbare Schicht (18) und eine zweite Elektrodenschicht (22) umfasst, wobei eine Wärmeleitfähigkeit der schaltbaren Schicht (18) über ein von dem elektrischen Signal abhängiges elektrisches Feld steuerbar ist.
Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltbare Schicht (18) Kohlenstoffnanoröhren (24) umfasst, wobei die Wärmeleitfähigkeit der schaltbaren Schicht (18) von der Kontaktfläche (15) in Richtung des Wärmeableiters (12) gesehen, von einer Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhren (24) abhängig ist, und wobei die Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhren (24) über das elektrische Feld steuerbar ist.
Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübergangselement (14) ein mikroelektromechanisches System (MEMS) mit einer Vielzahl von Mikrokavitäten (28) umfasst, welche mit einem wärmeleitenden Fluid (30) befüllbar sind, wobei eine Füllung der Mikrokavitäten (28) mit dem wärmeleitenden Fluid (30) abhängig von dem elektrischen Signal steuerbar ist.
Verfahren zum Kühlen eines zu kühlenden Elements (16), dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktfläche (15) einer Kühlvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer zu kühlenden Fläche (17) des zu kühlenden Elements (16) verbunden wird.
Verfahren zum Kühlen gemäß Anspruch 8, wobei in das zu kühlende Element (16) Wärme inhomogen eingebracht wird oder in dem zu kühlenden Element (16) Wärme inhomogen verteilt entsteht, so dass an der Kontaktfläche (15) ein inhomogenes Temperaturprofil vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübergangselements (14) von der Kontaktfläche (15) zu dem Wärmeableiter (12) über die Kontaktfläche (15) gesehen derart variiert wird, dass an der Kontaktfläche (15) und/oder in dem zu kühlenden Element (16) ein vorgegebenes Temperaturfeld eingestellt wird.
Verfahren zum Kühlen gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zu kühlende Element (16) eine optische Komponente ausgewählt ist aus einem Spiegel, einer Linse, einem optischen Gitter, oder einem reflektierenden räumlichen Lichtmodulator.