DE112005001302T5

DE112005001302T5 - Vorrichtung und Verfahren zur wirksamen Zufuhr von Flüssigkeit zum Kühlen eines Wärme erzeugenden Geräts

Info

Publication number: DE112005001302T5
Application number: DE112005001302T
Authority: DE
Inventors: Richard G. Newark Brewer; Ginsh Cupertino Upahhya; Peng Albany Zhou; Mark Emlo Park Mcmaster; Paul Los Altos Tsao
Original assignee: Cooligy Inc
Current assignee: Cooligy Inc
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2007-04-26
Also published as: WO2005122661A2; US7188662B2; TW200540388A; WO2005122661A3; US20050269061A1; JP2008501926A; TWI336763B

Abstract

Wärmeaustauscher, bestehend aus:
a. einer Grenzflächenschicht, in der Wärme von einer eine Oberfläche aufweisenden Wärmequelle auf eine Flüssigkeit übertragen wird; und
b. einer an die Grenzflächenschicht gekoppelten Verteilerschicht, besagte Verteilerschicht weiter bestehend aus:
i. einem ersten Satz von im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche verlaufenden Flüssigkeitsbahnen, die der Grenzflächenschicht Flüssigkeit zuleiten; und
ii. einem zweiten Satz von im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und senkrecht zum ersten Satz von Flüssigkeitsbahnen verlaufenden Flüssigkeitsbahnen, welche die Flüssigkeit von der Grenzflächenschicht abführen.

Description

Verwandte Anmeldung
Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht Priorität unter 35 U.S.C. 119(e) der gleichzeitig anhängenden, am 4. Juni 2004 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/577,262 mit dem Titel „MEHRFACHE KÜHLVERFAHREN". Die am 4. Juni 2004 eingereichte vorläufige US-Patentanmeldung Nr. 60/577,262 mit dem Titel „MEHRFACHE KÜHLVERFAHREN" wird hier zur Bezugnahme herangezogen.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines Wärme erzeugenden Geräts im Allgemeinen und im Besonderen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur wirksamen Zufuhr von Flüssigkeit beim Kühlen eines elektronischen Geräts unter minimalem Druckabfall innerhalb des Wärmeaustauschers.
Allgemeiner Stand der Technik
Seit ihrer Einführung am Anfang der achtziger Jahre haben Mikrokanal-Kühlkörper ihre Eignung als Kühlgeräte mit hohem Wärmefluss unter Beweis gestellt und weitgehend in der Industrie Anwendung gefunden. Vorhandene Mikrokanäle weisen jedoch konventionelle parallele Kanalanordnungen auf, die sich nicht gut zum Kühlen von Wärme erzeugenden Geräten mit räumlich variierender Wärmebelastung eignen. Diese heißeren Bereiche werden als „Heißstellen" bezeichnet, während die Bereiche der Wärmequelle, die nicht so viel Wärme erzeugen, als „Warmstellen" bezeichnet werden.
1A und 1B sind eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht auf einen Wärmeaustauscher 10 nach dem Stand der Technik, der über ein thermisches Grenzflächenmaterial („TIM") 98 an einen elektronischen Gerät 99, wie z.B. an einen Mikroprozessor, gekoppelt ist. Wie 1A und 1B zeigen, fließt die Flüssigkeit allgemein aus einem einzelnen Einlassanschluss 12 an der Bodenfläche 11 entlang durch die von Pfeilen angedeuteten parallelen Mikrokanäle 14 und schließlich durch den Auslassanschluss 16 heraus. Während der Wärmeaustauscher 10 das elektronische Gerät 99 kühlt, strömt die Flüssigkeit auf gleichmäßige Art und Weise vom Einlassanschluss 12 zum Auslassanschluss 16. Anders ausgedrückt, die Flüssigkeit strömt im Wesentlichen gleichmäßig an der ganzen Bodenfläche 11 des Wärmeaustauschers 10 entlang, und die Bereiche der Bodenfläche 11, die den Heißstellen im Gerät 99 entsprechen, erhalten nicht mehr Flüssigkeit als andere. Außerdem nimmt die Temperatur der aus dem Einlass strömenden Flüssigkeit im Allgemeinen entlang der Bodenfläche 11 des Wärmeaustauschers zu. Stromabwärts bzw. in der Nähe des Auslassanschlusses 16 liegende Bereiche der Wärmequelle 99 erhalten also keine kühle Flüssigkeit, sondern vielmehr wärmere oder Zweiphasenflüssigkeit, die stromaufwärts bereits erwärmt wurde. Die erwärmte Flüssigkeit verbreitet die Wärme über die ganze Bodenfläche 11 des Wärmeaustauschers und über die Wärmequelle 99, so dass die warme Flüssigkeit in der Nähe des Auslassanschlusses 16 die Wärmequelle 99 nicht mehr wirksam kühlen kann. Diese Temperaturerhöhung kann Instabilität in der Zweiphasenströmung verursachen, wobei das Sieden der Flüssigkeit an der Bodenfläche 11 die Flüssigkeit von den Bereichen weg treibt, wo die meiste Wärme erzeugt wird. Da der Wärmeaustauscher 10 außerdem nur einen Einlassanschluss 12 und einen Auslassanschluss 16 hat, muss die Flüssigkeit über die gesamte Länge des Wärmeaustauschers 10 entlang den parallelen Mikrokanälen 14 in der Bodenfläche 11 fließen, was angesichts des langen von der Flüssigkeit zurückgelegten Wegs mit einem erheblichen Druckabfall verbunden ist. Dieser Druckabfall im Wärmeaustauscher 10 erschwert das Pumpen der Flüssigkeit zum Wärmeaustauscher 10 und verschlimmert die Instabilität.
1C ist eine schematische Seitenansicht eines mehrlagigen Wärmeaustauschers 20. Flüssigkeit tritt durch Anschluss 22 in den Wärmeaustauscher 20 ein und strömt durch Mehrfachdüsen 28 in der Mittellage 26 zur Bodenfläche 27 und aus Anschluss 24 heraus. Die entlang den Düsen 28 strömende Flüssigkeit fließt nicht gleichmäßig zur Bodenfläche 27. Außerdem weist der Wärmeaustauscher gemäß 1C die selben Probleme auf wie der oben besprochene Wärmeaustauscher 10 gemäß 1A und 1B.
Benötigt wird ein Wärmeaustauscher, der so konfiguriert ist, dass zwischen Einlass- und Auslassanschluss nur ein kleiner Druckabfall eintritt, während die Wärmequelle wirksam gekühlt wird. Ebenfalls benötigt wird ein Wärmeaustauscher, der so konfiguriert ist, dass angesichts der Heißstellen in der Wärmequelle eine gleichmäßige Temperatur erzielt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmeaustauscher geoffenbart. Der Wärmeaustauscher weist eine Grenzflächenschicht auf, in der Wärme von einer eine Oberfläche aufweisenden Wärmequelle auf eine Flüssigkeit übertragen wird. Der Wärmeaustauscher weist auch eine an die Grenzflächenschicht gekoppelte Verteilerschicht auf. Die Verteilerschicht besteht aus einem ersten Satz von im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche verlaufenden Flüssigkeitsbahnen, welche die Flüssigkeit der Grenzflächenschicht zuleiten, und einem zweiten Satz von im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und senkrecht zum ersten Satz verlaufenden Flüssigkeitsbahnen zum Abführen der Flüssigkeit von der Grenzflächenschicht.
Vorzugsweise weist der Wärmeaustauscher auch eine Oberschicht zum Umwälzen der Flüssigkeit zur und von der Grenzflächenschicht auf. Diese Oberschicht kann mehrere Vorsprünge oder ein poröses Medium aufweisen, um die Strömung besser zu steuern und bei Zuständen, in denen die Flüssigkeit gefriert, die Gefrierrichtung im Wärmeaustauscher zu regeln. Vorzugsweise enthält die Oberschicht einen Zentralbehälter, der aus einem oder mehreren Einlassanschlüssen des Wärmeaustauschers mit Flüssigkeit gespeist wird. Der Wärmeaustauscher weist vorzugsweise eine entlang der Grenzflächenschicht angeordnete poröse Kupferstruktur auf. Er kann Mikrokanäle und/oder Mikronadeln zum Leiten des Flüssigkeitsstroms und zur Förderung der Wärmeübertragung aufweisen.
Die Flüssigkeit ist vorzugsweise im Zustand der Einphasenströmung. Mindestens ein Teil der Flüssigkeit kann jedoch auch im Zustand der Zweiphasenströmung sein. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist ein Übergang zwischen Ein- und Zweiphasenströmung im Wärmeaustauscher für mindestens einen Teil der Flüssigkeit möglich.
Die Flüssigkeitsbahnen sind vorzugsweise jeweils so angeordnet, dass jeweils mindestens ein heißer Grenzflächenbereich der Wärmequelle gekühlt wird. Die Grenzflächenschicht ist vor zugsweise an die Wärmequelle gekoppelt. In einer Alternative ist die Grenzflächenschicht mit der Wärmequelle integriert. Die Wärmequelle kann eine integrierte Schaltung sein.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmeaustauscher geoffenbart. Dieser Wärmeaustauscher weist eine Grenzflächenschicht auf, in der Wärme von einer eine Oberfläche aufweisenden Wärmequelle auf eine Flüssigkeit übertragen wird. Der Wärmeaustauscher weist auch eine an die Grenzflächenschicht gekoppelte Verteilerschicht auf. Die Verteilerschicht besteht weiter aus einem ersten Satz von im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche verlaufenden Flüssigkeitsbahnen, welche die Flüssigkeit der Grenzflächenschicht zuleiten, und einem zweiten Satz von im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und senkrecht zum ersten Satz verlaufenden Flüssigkeitsbahnen zum Abführen der Flüssigkeit von der Grenzflächenschicht. Der Wärmeaustauscher weist auch eine Oberschicht zum Umwälzen der Flüssigkeit zur und von der Grenzflächenschicht auf. Diese Oberschicht kann mehrere Vorsprünge aufweisen, um die Strömung innerhalb des Wärmeaustauschers besser zu steuern.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Verteilerschicht zum Leiten der Flüssigkeit zur und von der Grenzflächenschicht vorgesehen. Die Verteilerschicht besteht aus einem ersten Satz von im Wesentlichen senkrecht zur Grenzflächenschicht verlaufenden Flüssigkeitsbahnen, welche die Flüssigkeit der Grenzflächenschicht zuleiten, und einem zweiten Satz von im Wesentlichen parallel zur Grenzflächenschicht und senkrecht zum ersten Satz verlaufenden Flüssigkeitsbahnen zum Abführen der Flüssigkeit von der Grenzflächenschicht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Kühlung einer an eine Grenzflächenschicht eines Wärmeaustauschers gekoppelten Wärmequelle geoffenbart. Dieses Verfahren besteht aus den folgenden Schritten: dem Umwälzen einer Flüssigkeit in einen Zentralbehälter, dem Leiten der Flüssigkeit durch einen ersten Satz von im Wesentlichen senkrecht zur Grenzflächenschicht verlaufenden Flüssigkeitsbahnen und dem Abführen der Flüssigkeit durch einen zweiten Satz von im Wesentlichen parallel zur Grenzflächenschicht und senkrecht zum ersten Satz verlaufenden Flüssigkeitsbahnen. Das Verfahren kann weiter den Schritt der Bereitstellung einer Oberschicht zum Umwälzen der Flüssigkeit zu und von den einzelnen Flüssigkeitsbahnen umfassen. Das Verfahren kann weiter den Schritt des Anbringens einer Vielzahl von Vorsprüngen an der Oberschicht zur Verbesserung der Strömungssteuerung innerhalb des Wärmeaustauschers umfassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der unten stehenden ausführlichen Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels und der alternativen Ausführungsbeispiele.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A ist eine Seitenansicht eines konventionellen Wärmeaustauschers.
1B ist eine Draufsicht auf den konventionellen Wärmeaustauscher.
1C ist eine schematische Seitenansicht eines mehrlagigen Wärmeaustauschers nach dem Stand der Technik.
2 ist eine schematische Darstellung eines geschlossenen Kühlsystems mit einem Ausführungsbeispiel des Wärmeaustauschers nach der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine perspektivische Ansicht der Oberschicht zum Umwälzen der Flüssigkeit zur und von der Verteilerschicht, mit einer Vielzahl von Vorsprüngen zur Regelung des Gefrierens im Wärmeaustauscher gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Unteransicht der Oberschicht zum Umwälzen der Flüssigkeit zur und von der Verteilerschicht, mit einer Vielzahl von Vorsprüngen zur Strömungsregelung innerhalb des Wärmeaustauschers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein seitlicher Querschnitt durch den Wärmeaustauscher einschließlich der Oberschicht, der Verteilerschicht und der Grenzflächenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein alternativer seitlicher Querschnitt durch den Wärmeaustauscher einschließlich der Oberschicht, der Verteilerschicht und der Grenzflächenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein Längsschnitt durch den Wärmeaustauscher mit einem Strömungsweg vom Einlass- zum Auslassanschluss gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung
Allgemein gesagt nimmt der Wärmeaustauscher von einer Wärmequelle erzeugte Wärmeenergie auf, indem er Flüssigkeit durch gewisse Bereiche der vorzugsweise an die Wärmequelle gekoppelten Grenzflächenschicht leitet. Im Besonderen wird die Flüssigkeit zum Kühlen der Heißstellen und ihrer Umgebung zu spezifischen Bereichen der Grenzflächenschicht geleitet, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperatur über die ganze Wärmequelle herzustellen, während der Druckabfall innerhalb des Wärmeaustauschers geringfügig bleibt. Wie unten anhand der diversen Ausführungsbeispiele erklärt wird, setzt der Wärmeaustauscher eine Vielzahl von Öffnungen, Kanälen und/oder Fingern in der Verteilerschicht sowie Kanäle in der Zwischenschicht zum Leiten und Umwälzen der Flüssigkeit zu und von gewissen Heißstellen in der Grenzflächenschicht ein. Der Wärmeaustauscher kann jedoch auch mehrere spezifisch an vorgegebenen Stellen angeordnete Anschlüsse aufweisen, um Flüssigkeit zur wirksamen Kühlung der Wärmequelle zu und von den Heißstellen zu leiten.
Dazu ist zu sagen, dass die vorliegende Erfindung zwar vorzugsweise als Mikrokanal-Wärmeaustauscher bezeichnet wird, aber auch in anderen Anwendungen zum Einsatz kommen kann und nicht auf die nachfolgende Erörterung beschränkt ist.
2 ist ein Schema eines geschlossenen Kühlsystems 30 mit einem Mikrokanal-Wärmeaustauscher 100 mit flexibler Flüssigkeitsförderung gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie 2 zeigt, sind die Flüssigkeitsanschlüsse 108, 109 an Flüssigkeitsleitungen oder rohrförmige Elemente 38 gekoppelt, die ihrerseits an eine Pumpe 32 und ein Wärmeabfuhrgerät 36 gekoppelt sind. Die Pumpe 32 wälzt Flüssigkeit im geschlossenen Kreislauf 30 um. In einer Alternative versorgt ein Flüssigkeitsanschluss 108 den Wärmeaustauscher 100 mit Flüssigkeit. Außerdem ist ein Flüssigkeitsanschluss 109 zum Abführen der Flüssigkeit vom Wärmeaustauscher 100 vorgesehen. In einem Ausführungsbeispiel strömt eine gleichmäßige, konstante Flüssigkeitsmenge über die Anschlüsse 108, 109 in den und aus dem Wärmeaustauscher 100. In einer Alternative kann die durch den Ein- und Auslassanschluss 108, 109 strömende Flüssigkeitsmenge im Lauf der Zeit variieren.
Wie 2 zeigt, ist der Wärmeaustauscher 100 an eine Wärmequelle 99, z.B. ein elektronisches Gerät, gekoppelt; dabei kann es sich, ohne Einschränkung darauf, um einen Mikrochip oder eine integrierte Schaltung handeln, wobei ein thermisches Grenzflächenmaterial 98 vorzugsweise zwischen der Wärmequelle 99 und dem Wärmeaustauscher 100 angeordnet ist. In einer alternativen Ausführung ist der Wärmeaustauscher 100 direkt an die Oberfläche der Wärmequelle 99 gekoppelt. Für den Fachmann versteht es sich auch, dass der Wärmeaustauscher 100 auch mit der Wärmequelle 99 integriert werden kann, so dass der Wärmeaustauscher 100 mit der Wärmequelle 99 eine einteilige Einheit bildet.
Der Wärmeaustauscher 100 nach der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise direkt oder indirekt an die in den Figuren als Rechteck dargestellte Wärmequelle 99 gekoppelt. Dem Fachmann ist jedoch offensichtlich, dass der Wärmeaustauscher 100 auch eine andere der Wärmequelle 99 entsprechende Form annehmen kann. Der Wärmeaustauscher 100 nach der vorliegenden Erfindung kann zum Beispiel außen eine halbrunde Gestalt (nicht gezeigt) haben, die direkten oder indirekten Kontakt zwischen dem Wärmeaustauscher 100 und einer entsprechend halbrunden Wärmequelle (nicht gezeigt) ermöglicht. Außerdem ist der Wärmeaustauscher 100 vorzugsweise etwas größer als die Wärmequelle 99, und zwar im Bereich 0,5 bis einschließlich 10,0 mm.
3 ist eine perspektivische Darstellung der Oberschicht 200 des Wärmeaustauschers 100 (2) gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Oberschicht 200 wälzt Flüssigkeit zu und von einer an einen Behälter 225 (5) der Oberschicht 200 gekoppelten Verteilerschicht 350 (5–7) um. Die Oberschicht 200 hat einen Einlassanschluss 210 und einen Auslassanschluss 230. Der Einlassanschluss 210 leitet die Flüssigkeit von einer Einlassseite des rohrförmigen Elements (2) des Systems 30 (2) durch die Oberschicht 200. Der Auslassanschluss 230 leitet die Flüssigkeit von der Grenzflächenschicht 400 (5) und einem Kupfer/Schaumstoff (5) weg zu einer Auslassseite des rohrförmigen Elements 38 (2).
4 ist eine Unteransicht der Oberschicht 200 zum Umwälzen von Flüssigkeit zur und von der Verteilerschicht 350 (5-7) mit einer Vielzahl von Vorsprüngen 220 zur Regelung des Gefrierens innerhalb des Wärmeaustauschers 100 (2) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, kann der Einlassanschluss 210 mehrere Einlassöffnungen zum Leiten der Flüssigkeit von einer Einlassseite des rohrförmigen Elements (2) des Systems 30 (2) durch die Oberschicht 200 aufweisen. Auf ähnliche Weise kann der Auslassanschluss 230 mehrere Auslassöffnungen zum Leiten der Flüssigkeit von der Oberschicht 200 weg zu einer Auslassseite des rohrförmigen Elements 38 (2) aufweisen. Die Flüssigkeit läuft zwischen und unter den Vorsprüngen 220 um. Die Vorsprünge 220 wirken nicht als Strömungsrichtkanäle.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Oberschicht 200 einzelne Strukturen aufweisen. Dabei kann es sich teilweise oder zur Gänze um eine poröse Struktur handeln, durch welche die Flüssigkeit fließt. Der Deckel kann jedoch auch hohl sein.
5 ist ein seitlicher Querschnitt durch einen Wärmeaustauscher 300 mit einer der oben beschriebenen gleichenden Oberschicht 200, einer Verteilerschicht 350 und einer Grenzflächenschicht 400 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Oberschicht 200 weist eine Vielzahl von wahlweise vorgesehenen Vorsprüngen 220 und einen Behälter 225 auf. In der Verteilerschicht 350 ist eine Vielzahl von Zuströmkanälen 360 und Abströmkanälen 370 vorgesehen. Die Grenzflächenschicht 400 ist vorzugsweise zwischen der Wärmequelle 99 (2) und der Verteilerschicht 350 angeordnet. Die Wärmequelle 99 wird vorzugsweise von einer integrierten Schaltung gebildet. Die Grenzflächenschicht 400 weist vorzugsweise eine poröse Kupferstruktur 410 auf, die entlang der Unterseite der Grenzflächenschicht 400 angeordnet ist. Die Oberschicht 200, die Verteilerschicht 350 und die Grenzflächenschicht 400 sind vorzugsweise mittels eines geeigneten Verfahrens (z.B. Epoxidharzkleber, Hartlöten, Schweißen oder Löten) miteinander verbunden.
Wie 5 weiter zeigt, strömt die Flüssigkeit über die Einlassanschlüsse 210 in die Oberschicht 200 und über die Zuströmkanäle 360, die mehrere Öffnungen und Kanäle aufweisen, in die Verteilerschicht 350 und schließlich in die Grenzflächenschicht 400. Daraufhin strömt die Flüssigkeit durch Öffnungen (nicht gezeigt) der porösen Kupferstruktur 410 aus der Grenzflächenschicht 400 heraus und in und durch die Abströmkanäle 370, die ebenfalls mehrere Öffnungen und Kanäle aufweisen, deren Strömungsrichtung normal zu deren der Zuströmkanäle 360 verläuft. Daraufhin strömt die Flüssigkeit aus den Abströmkanälen 370 heraus und zurück zur Oberschicht 200 und zum Auslassanschluss 230 (3 und 4). Die Strömungsgeschwindigkeit durch die poröse Kupferstruktur 410 kann durch mehrfache Einlassöffnungen und Strömungswege der Zuströmkanäle 360 reduziert werden, wodurch der allgemeine Druckabfall beim Durchfluss durch die poröse Kupferstruktur 410 reduziert und die wirksame Kühlung der integrierten Schaltung gewährleistet wird. Die Zuströmkanäle 360 verlaufen im Wesentlichen normal zu einer Oberfläche der integrierten Schaltung, während die Abströmkanäle 370 im Wesentlichen parallel dazu verlaufen.
6 ist ein alternativer seitlicher Querschnitt durch den Wärmeaustauscher 300 einschließlich der Oberschicht 200, der Verteilerschicht 350 und der Grenzflächenschicht 400 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Oberschicht 200 weist eine Vielzahl von Vorsprüngen 220 auf. Im Querschnitt nach 6 sind die Enden der Hälfte der wahlweise vorgesehenen Vorsprünge 220 zu sehen. Wie oben erwähnt, strömt die Flüssigkeit um die und unter den Vorsprünge(n) 220. Die Verteilerschicht 350 weist eine Vielzahl von Zuströmkanälen (Einlassschlitzen) 360 und Abströmkanälen (Auslassschlitzen) 370 auf. Die Zuströmkanäle 360 verlaufen als Strömungswege im Wesentlichen normal zur Wärmequelle 99 (2) und leiten die Flüssigkeit zur Grenzflächenschicht 400. Die Abströmkanäle 370 verlaufen als Strömungswege im Wesentlichen parallel zur Wärmequelle 99 (2) und normal zu den Zuströmkanälen 360. Es versteht sich, dass in einer alternativen Ausführung die Strömungsrichtung umgekehrt sein kann. Die Grenzflächenschicht 400 ist vorzugsweise zwischen der Wärmequelle 99 (2) und der Verteilerschicht 350 angeordnet. Die Grenzflächenschicht 400 weist vorzugsweise eine poröse Kupferstruktur 410 auf, die entlang der Unterseite der Grenzflächenschicht 400 angeordnet ist. Die Einlassschlitze 360 ermöglichen Strömung nach unten in den Schaumstoff 410. Die Auslassschlitze 370 ermöglichen Ausfluss aus der porösen Kupferstruktur 410. Die Oberschicht 200, die Verteilerschicht 350 und die Grenzflächenschicht 400 sind vorzugsweise mittels eines geeigneten Verfahrens (z.B. Epoxidharzkleber, Hartlöten, Schweißen, Löten oder Diffusionsverbinden) miteinander verbunden.
7 ist ein Längsschnitt durch einen Wärmeaustauscher 300 mit einem Strömungsweg vom Einlassanschluss 210 zum Auslassanschluss 230 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Wärmeaustauscher 300 besteht aus einer Oberschicht 200, einer Verteilerschicht 350 und einer Grenzflächenschicht 400. Die Oberschicht 200 weist eine Vielzahl von wahlweise vorgesehenen Vorsprüngen 220 auf. Die Flüssigkeit kann zwischen und unter den Vorsprüngen 220 fließen. Die Verteilerschicht in 7 hat eine Vielzahl von Einlassschlitzen, die Strömung nach unten in die Grenzflächenschicht 400 ermöglichen. Entlang einer Unterseite der Grenzflächenschicht 400 ist eine poröse Kupferstruktur 410 angeordnet. Die Grenzflächenschicht 400 kann jedoch auch eine Vielzahl von Mikrokanälen (nicht gezeigt) aufweisen, um die Strömung zu leiten und die Wärmeübertragung zu fördern. Außerdem kann die Grenzflächenschicht 400 eine Vielzahl von Mikronadeln (nicht gezeigt) aufweisen, um die Strömung zu leiten und die Wärmeübertragung zu fördern.
Im obigen Ausführungsbeispiel ist die Flüssigkeit im Zustand der Einphasenströmung (d.h. flüssig), der Zweiphasenströmung oder in einem Übergangszustand zwischen Ein- und Zweiphasenströmung. Einphasenströmung ist bevorzugt. Das System kann so beschaffen sein, das kältere Flüssigkeit mittels der oben beschriebenen Anordnungen mit hoher Geschwindigkeit zu den Heißstellen der Grenzflächenschicht 400 gefördert wird. Im Zweiphasenzustand, zum Beispiel wenn es sich um eine Mischung aus Dampf und Flüssigkeit handelt, besteht ein Verfahren zur wirksamen Kühlung der Heißstellen darin, dass die Flüssigkeit an der Heißstelle zum Sieden gebracht wird, wodurch die Heißstelle wirksam gekühlt wird. Es ist allgemein bekannt, dass die Temperatur und der Siedepunkt einer Zweiphasenflüssigkeit dem Druck der betreffenden Flüssigkeit direkt proportional sind. Insbesondere steigen die Temperatur und der Siedepunkt der Flüssigkeit mit dem in der Flüssigkeit herrschenden Druck. Im Gegensatz dazu nehmen die Temperatur und der Siedepunkt der Flüssigkeit bei abnehmendem Druck ebenfalls ab. Dieses Druck/Temperaturphänomen der im Zustand der Ein- oder Zweiphasenströmung befindlichen Flüssigkeit setzt der Wärmeaustauscher 300 zur wirksamen Kühlung der Heißstellen und zur Herstellung einer gleichmäßigen Temperatur in der Wärmequelle 99 (2) ein.
Bei Einphasenströmung ist der Wärmeaustauscher 300 so konfiguriert, dass er Flüssigkeit mit relativ niedriger Temperatur zu verschiedenen Teilen der Grenzflächenschicht 400 leitet, die eine relativ höhere Temperatur haben. Die den Heißstellen ausgesetzte kühlere Flüssigkeit bringt die Heißstellen auf die gewünschte Temperatur, während die wärmere Flüssigkeit die Warm- oder Kaltstellen auf die selbe Temperatur bringt. Die Einphasenströmung ergibt eine gleichmäßige Temperatur in der Wärmequelle 99 (2) durch Leiten der Flüssigkeit mit der richtigen Temperatur zu den betreffenden Stellen in der Grenzflächenschicht 400 und durch Kühlen der betreffenden Stellen auf die gewünschte Temperatur.
Bei Zweiphasenströmung ist der Wärmeaustauscher 300 nach der vorliegenden Erfindung so konfiguriert, dass er Flüssigkeit ähnlich wie oben leitet. Der Wärmeaustauscher 300 nach der vorliegenden Erfindung leitet insbesondere Flüssigkeit mit niedrigerem Druck zu den Heißstellen der Grenzflächenschicht 400, um sie dort absichtlich zum Sieden zu bringen. Es ist bekannt, dass das Sieden einer Zweiphasenflüssigkeit infolge der starken Zunahme der Beschleunigung der Zweiphasenflüssigkeit einen erheblichen Druckabfall zur Folge hat. Wie oben bezüglich des Zusammenhangs zwischen Druck und Temperatur erörtert wurde, verursacht ein erheblicher Druckabfall der Flüssigkeit einen entsprechend erheblichen Temperaturabfall. Der Wärmeaustauscher 300 kann also so konfiguriert werden, dass er Zweiphasenflüssigkeit mit einem bereits relativ niedrigeren Druck zu den Bereichen der Heißstellen leitet. Außerdem kann der Wärmeaustauscher 300 so konfiguriert werden, dass er Flüssigkeit mit einem relativ höheren Druck zu den kühleren Bereichen der Grenzflächenschicht 400 leitet. Wenn die Flüssigkeit mit dem niedrigeren Druck mit den Heißstellen in Kontakt kommt, wird sie stark erwärmt und beginnt bei einem viel niedrigeren Siedepunkt zu sieden, woraus ein Druckabfall entsteht. Infolge dieses Druckabfalls wird die Temperatur der siedenden Zweiphasenflüssigkeit wirksam reduziert. Die Zweiphasenflüssigkeit wird also kühler und kann die Heißstellen besser kühlen. Die selbe Theorie gilt offensichtlich auch für die Umwandlung der Zweiphasenflüssigkeit in Einphasenflüssigkeit zum Erzielen einer gleichmäßigen Temperatur in der Wärmequelle 99 (2).
Der Wärmeaustauscher 300 nach der vorliegenden Erfindung erzielt mit Hilfe der verschiedenen Zustände der Flüssigkeit eine gleichmäßige Temperatur in der Wärmequelle 99 (2). Der Wärmeaustauscher 300 kann so konfiguriert werden, dass die Kühlwirkung der Flüssigkeit in den gewünschten Bereichen durch Manipulieren der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Drucks der Flüssigkeit mittels einer Pumpe 32 (2) geregelt wird. In einer Alternative regelt der Wärmeaustauscher 300 die Kühlwirkung der Flüssigkeit in den gewünschten Bereichen durch Manipulieren der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Drucks der Flüssigkeit mittels mehrerer Pumpen.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von spezifischen Ausführungsbeispielen beschrieben, deren Einzelheiten das Verständnis der Konstruktionsprinzipien und der Wirkungsweise der Erfindung fördern sollen. Hinweise auf spezifische Ausführungsbeispiele und deren Einzelheiten sollen den Umfang der angehefteten Ansprüche nicht einschränken. Dem Fachmann ist klar, dass an dem zur Veranschaulichung dienenden Ausführungsbeispiel Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassung:
Ein Wärmeaustauscher weist Einrichtungen zur Minderung von hohem Druckabfall und zur Regelung der Ausdehnung der Flüssigkeit während des Gefrierens auf. Eine Verteilerschicht ist an die Grenzflächenschicht gekoppelt. Die Verteilerschicht besteht aus einem ersten Satz von im Wesentlichen senkrechten Flüssigkeitsbahnen, welche die Flüssigkeit der Grenzflächenschicht zuleiten. Die Verteilerschicht besteht weiter aus einem zweiten Satz von im Wesentlichen waagerechten Flüssigkeitsbahnen, die senkrecht zum ersten Satz von Flüssigkeitsbahnen verlaufen und die Flüssigkeit von der Grenzflächenschicht weg führen. Vorzugsweise weist der Wärmeaustauscher eine Oberschicht zum Umwälzen der Flüssigkeit zur und von der Grenzflächenschicht auf. Diese Oberschicht kann mindestens einen von mehreren Vorsprüngen sowie eine poröse Struktur aufweisen. Vorzugsweise ist eine poröse Struktur entlang der Grenzflächenschicht angeordnet.

Claims

Wärmeaustauscher, bestehend aus: a. einer Grenzflächenschicht, in der Wärme von einer eine Oberfläche aufweisenden Wärmequelle auf eine Flüssigkeit übertragen wird; und b. einer an die Grenzflächenschicht gekoppelten Verteilerschicht, besagte Verteilerschicht weiter bestehend aus: i. einem ersten Satz von im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche verlaufenden Flüssigkeitsbahnen, die der Grenzflächenschicht Flüssigkeit zuleiten; und ii. einem zweiten Satz von im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und senkrecht zum ersten Satz von Flüssigkeitsbahnen verlaufenden Flüssigkeitsbahnen, welche die Flüssigkeit von der Grenzflächenschicht abführen.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, weiter bestehend aus einer Oberschicht zum Umwälzen der Flüssigkeit zur und von der Verteilerschicht.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, wobei die Oberschicht eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, wobei die Oberschicht eine poröse Struktur aufweist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, wobei die Oberschicht einen zentralen Behälter aufweist, in den die Flüssigkeit aus einem Einlassanschluss des Wärmeaustauschers eingeleitet wird.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkeit im Zustand der Einphasenströmung ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, wobei die Flüssigkeit im Zustand der Zweiphasenströmung ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 7, wobei mindestens ein Teil der Flüssigkeit im Wärmeaustauscher einem Übergang zwischen Ein- und Zweiphasenströmung unterliegt.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, wobei die einzelnen Flüssigkeitsbahnen so angeordnet sind, dass sie jeweils mindestens eine Heißstelle in der Wärmequelle an der Grenzfläche kühlen.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, wobei die Grenzflächenschicht an die Wärmequelle gekoppelt ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, wobei die Grenzflächenschicht mit der Wärmequelle integriert ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, wobei die Wärmequelle von einer integrierten Schaltung gebildet wird.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, weiter bestehend aus einer entlang der Grenzflächenschicht angeordneten porösen Struktur.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, weiter bestehend aus einer Vielzahl von Mikrokanälen zum Leiten des Flüssigkeitsstroms und zum Fördern der Wärmeübertragung.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, weiter bestehend aus einer Vielzahl von entlang der Grenzflächenschicht angeordneten Mikronadeln.
Wärmeaustauscher, bestehend aus: a. einer Grenzflächenschicht, in der Wärme von einer eine Oberfläche aufweisenden Wärmequelle auf eine Flüssigkeit übertragen wird; und b. einer an die Grenzflächenschicht gekoppelten Verteilerschicht, besagte Verteilerschicht weiter bestehend aus: i. einem ersten Satz von im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche verlaufenden Flüssigkeitsbahnen, die der Grenzflächenschicht Flüssigkeit zuleiten; und ii. einem zweiten Satz von im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und senkrecht zum ersten Satz von Flüssigkeitsbahnen verlaufenden Flüssigkeitsbahnen, welche die Flüssigkeit von der Grenzflächenschicht abführen; und c. einer Oberschicht zum Umwälzen der Flüssigkeit zur und von der Verteilerschicht.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 16, wobei die Oberschicht eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 16, wobei die Oberschicht eine poröse Struktur aufweist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 16, wobei die Oberschicht einen zentralen Behälter aufweist, in den die Flüssigkeit aus einem Einlassanschluss des Wärmeaustauschers eingeleitet wird.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 16, wobei die Flüssigkeit im Zustand der Einphasenströmung ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 20, wobei die Flüssigkeit im Zustand der Zweiphasenströmung ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 21, wobei mindestens ein Teil der Flüssigkeit im Wärmeaustauscher einem Übergang zwischen Ein- und Zweiphasenströmung unterliegt.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 16, wobei die einzelnen Flüssigkeitsbahnen so angeordnet sind, dass sie jeweils mindestens eine Heißstelle in der Wärmequelle an der Grenzfläche kühlen.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 16, wobei die Grenzflächenschicht an die Wärmequelle gekoppelt ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 16, wobei die Grenzflächenschicht mit der Wärmequelle integriert ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 16, wobei die Wärmequelle von einer integrierten Schaltung gebildet wird.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 16, weiter bestehend aus einer entlang der Grenzflächenschicht angeordneten porösen Struktur.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 16, weiter bestehend aus einer Vielzahl von Mikrokanälen zum Leiten des Flüssigkeitsstroms und zum Fördern der Wärmeübertragung.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 16, weiter bestehend aus einer Vielzahl von entlang der Grenzflächenschicht angeordneten Mikronadeln.
Zum Leiten einer Flüssigkeit zu und von einer Grenzflächenschicht innerhalb eines Wärmeaustauschers konfigurierte Verteilerschicht, bestehend aus: a. einem ersten Satz von im Wesentlichen senkrecht zur Grenzflächenschicht verlaufenden Flüssigkeitsbahnen, die der Grenzflächenschicht Flüssigkeit zuleiten; und b. einem zweiten Satz von im Wesentlichen parallel zur Grenzflächenschicht und senkrecht zum ersten Satz von Flüssigkeitsbahnen verlaufenden Flüssigkeitsbahnen, welche die Flüssigkeit von der Grenzflächenschicht abführen.
Verteilerschicht nach Anspruch 30, wobei die Verteilerschicht an eine Oberschicht gekoppelt ist, die Flüssigkeit zur und von der Verteilerschicht umwälzt, und wobei die Oberschicht einen zentralen Behälter aufweist, in den die Flüssigkeit aus einem Einlassanschluss des Wärmeaustauschers eingeleitet wird.
Verteilerschicht nach Anspruch 30, wobei die Grenzflächenschicht an eine Wärmequelle gekoppelt ist.
Verteilerschicht nach Anspruch 30, wobei die Flüssigkeit im Zustand der Einphasenströmung ist.
Verteilerschicht nach Anspruch 33, wobei die Flüssigkeit im Zustand der Zweiphasenströmung ist.
Verteilerschicht nach Anspruch 34, wobei mindestens ein Teil der Flüssigkeit im Wärmeaustauscher einem Übergang zwischen Ein- und Zweiphasenströmung unterliegt.
Verteilerschicht nach Anspruch 32, wobei die einzelnen Flüssigkeitsbahnen so angeordnet sind, dass sie jeweils mindestens eine Heißstelle in der Wärmequelle an der Grenzfläche kühlen.
Verteilerschicht nach Anspruch 32, wobei die Grenzflächenschicht mit der Wärmequelle integriert ist.
Verteilerschicht nach Anspruch 32, wobei die Wärmequelle von einer integrierten Schaltung gebildet wird.
Verteilerschicht nach Anspruch 30, weiter bestehend aus einer entlang der Grenzflächenschicht angeordneten porösen Struktur.
Verteilerschicht nach Anspruch 30, weiter bestehend aus einer Vielzahl von Mikrokanälen zum Leiten des Flüssigkeitsstroms und zum Fördern der Wärmeübertragung.
Verfahren zur Kühlung einer an eine Grenzflächenschicht eines Wärmeaustauschers gekoppelten Wärmequelle, bestehend aus den folgenden Schritten: a. Umwälzen einer Flüssigkeit in einen zentralen Behälter; b. Leiten der Flüssigkeit durch einen ersten Satz von im Wesentlichen senkrecht zur Grenzflächenschicht verlaufenden Flüssigkeitsbahnen; und c. Abführen der Flüssigkeit von der Grenzflächenschicht durch einen zweiten Satz von im Wesentlichen parallel zur Grenzflächenschicht und senkrecht zum ersten Satz von Flüssigkeitsbahnen verlaufenden Flüssigkeitsbahnen.
Verfahren nach Anspruch 41, weiter bestehend aus dem Schritt der Bereitstellung einer Oberschicht zum Umwälzen der Flüssigkeit von und zu den einzelnen Flüssigkeitsbahnen.
Verfahren nach Anspruch 42, weiter bestehend aus dem Schritt des Anbringens einer Vielzahl von Vorsprüngen an der Oberschicht.
Verfahren nach Anspruch 42, weiter bestehend aus dem Schritt des Ankoppelns einer porösen Schicht an die Oberschicht.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei die Oberschicht einen zentralen Behälter aufweist, in den die Flüssigkeit aus einem Einlassanschluss des Wärmeaustauschers eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei die Flüssigkeit im Zustand der Einphasenströmung ist.
Verfahren nach Anspruch 46, wobei die Flüssigkeit im Zustand der Zweiphasenströmung ist.
Verfahren nach Anspruch 47, wobei mindestens ein Teil der Flüssigkeit im Wärmeaustauscher einem Übergang zwischen Ein- und Zweiphasenströmung unterliegt.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei die einzelnen Flüssigkeitsbahnen so angeordnet sind, dass sie jeweils mindestens eine Heißstelle in der Wärmequelle an der Grenzfläche kühlen.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei die Grenzflächenschicht mit der Wärmequelle integriert ist.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei die Wärmequelle von einer integrierten Schaltung gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei die Grenzflächenschicht einen entlang der Grenzflächenschicht angeordneten porösen Kupferschaumstoff aufweist.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei die Grenzflächenschicht eine Vielzahl von Mikrokanälen zum Leiten des Flüssigkeitsstroms und zum Fördern der Wärmeübertragung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei die Grenzflächenschicht eine Vielzahl von entlang der Grenzflächenschicht angeordneten Mikronadeln aufweist.