DE112009000432B4 - Transpirationskühlung und Brennstoffzelle für Ultra-Mobile-Anwendungen - Google Patents

Transpirationskühlung und Brennstoffzelle für Ultra-Mobile-Anwendungen Download PDF

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Abstract

In einigen Ausführungsformen ist eine Transpirationskühlung und eine Brennstoffzelle für Ultra-Mobile-Anwendungen vorgelegt. Daher ist eine Vorrichtung offenbart, welche eine Baugruppe mit integrierter Schaltung umfasst, eine Brennstoffzelle zum Versorgen der Baugruppe mit integrierter Schaltung mit Energie, wobei die Brennstoffzelle Wasser als Nebenprodukt produziert, ein Gehäuse zum Aufnehmen der Baugruppe mit integrierter Schaltung und der Brennstoffzelle, und eine Außenhülle zum Bedecken des Gehäuses, wobei die Außenhülle eine wasserdichte Schicht umfasst, welche gestaltet ist zum Verhindern, dass Wasser mit der Baugruppe mit integrierter Schaltung in Berührung gelangt, und eine Wasser aufnehmende Schicht aus einem Hydrogel, welche gestaltet ist zum Aufnehmen von Wasser. Weitere Ausführungsformen sind ebenfalls offenbart und beansprucht.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen im Allgemeinen das Gebiet passiv gekühlter Vorrichtungen, und insbesondere eine Transpirationskühlung und eine Brennstoffzelle für Ultra-Mobile-Anwendungen.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Der Bedarf an leistungsfähigeren elektronischen Handgeräten wirft Probleme auf, wenn man verhindern möchte, dass die Geräte zu heiß werden, um sie in der Hand zu halten. Lösungen passiver Kühlung sind zu bevorzugen, da keine zusätzliche Leistung für die Kühlung erforderlich ist, und da der Lärm eines Lüfters Konsumenten eher stört. Im Allgemeinen gilt eine Kühlungslösung als inakzeptabel, wenn es möglich ist, dass die Temperatur der Außenhülle auf über 45 Grad Celsius ansteigt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung ist, in Form eines Beispiels und nicht zur Einschränkung, in den Figuren in den beigefügten Zeichnungen illustriert, wobei ähnliche oder gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen, dabei zeigen:
    • 1 eine graphische Darstellung einer Schnittansicht eines Beispiels eines Ultra-Mobile-Personal-Computers mit Transpirationskühlung und Brennstoffzelle, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    • 2 eine graphische Darstellung einer Schnittansicht der Außenhülle des Ultra-Mobile-Personal-Computers, der in
    • 1 abgebildet ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
    • 3 ein Blockdiagramm eines Beispiels eines elektronischen Geräts, das geeignet ist für ein Implementieren von Transpirationskühlung und Brennstoffzelle, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden Beschreibung sind, zu Zwecken der Erläuterung, zahlreiche spezifische Details ausgeführt, um ein tieferes Verstehen der Erfindung zu ermöglichen. In Fachkreisen versteht sich allerdings von selbst, dass Ausführungsformen der Erfindung ohne diese spezifischen Details umgesetzt sein können. In weiteren Beispielen sind Konstruktionen und Vorrichtungen in Form eines Blockdiagramms gezeigt, um zu verhindern, dass die Erfindung unverständlich wird.
  • In dieser Beschreibung bedeutet Bezugnahme auf „eine Ausführungsform“ oder „eine der Ausführungsformen“, dass ein konkretes Merkmal, eine konkrete Konstruktion oder ein konkretes Kennzeichen, beschrieben im Zusammenhang mit der Ausführungsform, in wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Daher bedeutet ein Vorkommen der Formulierungen „in einer Ausführungsform“ oder „in einer der Ausführungsformen“ an verschiedenen Stellen der Beschreibung nicht unbedingt, dass diese sich alle auf ein und dieselbe Ausführungsform beziehen. Ferner können die konkreten Merkmale, Konstruktionen oder Kennzeichen auf jede geeignete Art und Weise kombiniert sein, in einer Ausführungsform oder auch in mehreren.
  • 1 zeigt eine graphische Darstellung einer Schnittansicht eines Beispiels eines passiv gekühlten Ultra-Mobile-Personal-Computers mit Transpirationskühlung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie gezeigt, weist Ultra-Mobile-Personal-Computer 100 eines oder mehrere auf von einer Außenhülle 102, einem Gehäuse 104, Baugruppen mit integrierten Schaltungen 106, einer Brennstoffzelle 108, einem Display 110, einem Brennstofftank 112, einem Wasseranschluss 114, und einer Brennstoff-Einfüllöffnung 116.
  • Außenhülle 102, wie ausführlich beschrieben mit Bezug auf 2, stellt Transpirationskühlung für Ultra-Mobile-Personal-Computer 100 bereit. In einer Ausführungsform ist Außenhülle 102 so gestaltet, dass eine Person sie in der Hand halten kann. Transpirationskühlung, wie in dieser Schrift verwendet, ist eine Kühlungslösung, welche Wärme mittels Verdampfen von Wasser ableitet, wobei das zu viel besseren Ergebnissen führt als natürliche Konvektion und Strahlung. Zwar ist sie so dargestellt, dass sie Gehäuse 104 umgibt, allerdings kann Außenhülle 102 auch in direktem Kontakt stehen mit den Baugruppen mit integrierten Schaltungen 106 und/oder der Energieversorgung 108.
  • Gehäuse 104 stellt eine Aufnahme für die Baugruppen mit integrierten Schaltungen 106, die Brennstoffzelle 108 und den Brennstofftank 112 dar. Gehäuse 104 kann aus Metall bestehen, und es kann Befestigungspunkte für eine gedruckte Leiterplatte (nicht gezeigt) bereitstellen.
  • Baugruppen mit integrierten Schaltungen 106 stellen Funktionselemente des Ultra-Mobile-Personal-Computers 100 dar, und sie können einige Watt Strom benötigen, wenn sie voll in Betrieb sind, und das wird zu Wärme. Baugruppen mit integrierten Schaltungen 106 können mit Kühlkörpern (nicht gezeigt) gekoppelt sein.
  • Brennstoffzelle 108 stellt eine Energiequelle dar, die elektrischen Strom für die Baugruppen mit integrierten Schaltungen 106 bereitstellt, und sie produziert Wasser als Nebenprodukt. In einer Ausführungsform ist Brennstoffzelle 108 eine Direktmethanol-Brennstoffzelle. In einer weiteren Ausführungsform ist Brennstoffzelle 108 eine Wasserstoff-Brennstoffzelle. Brennstofftank 112 kann Brennstoff beinhalten, wie etwa Methanol oder Wasserstoff, zur Verwendung durch Brennstoffzelle 108.
  • Display 110 kann eine Flüssigkristallanzeige (LCD) sein, welche eine graphische Benutzeroberfläche für den Ultra-Mobile-Personal-Computer 100 bereitstellt.
  • Wasseranschluss 114 stellt eine Leitung dar, zum Bereitstellen des Nebenprodukts Wasser, von der Brennstoffzelle 108 zur Außenhülle 102, wie ausführlich dargestellt mit Bezug auf 2. Brennstoff-Einfüllöffnung 116 ermöglicht das Nachfüllen von Brennstoff aus einer Brennstoffquelle, zum Beispiel aus einem Behälter mit Methanol, in den Brennstofftank 112.
  • 2 zeigt eine graphische Darstellung einer Schnittansicht der Außenhülle des Ultra-Mobile-Personal-Computers, der in 1 abgebildet ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Außenhülle 102 eine oder mehrere Wasser aufnehmende Schicht(en) 202, eingelegt zwischen einer wasserdichten Schicht 204 und einer äußeren Schicht 206.
  • Die Wasser aufnehmende Schicht 202 stellt ein Material oder eine Kombination von Materialien dar, das/die geeignet ist/sind, Wasser aufzunehmen und wenigstens eine Zeit lang zu halten. In einer Ausführungsform ist die Wasser aufnehmende Schicht 202 ein temperaturempfindliches Hydrogel, wie etwa mit Acrylsäure durch Grafting modifizierte Carboxymethylcellulose, beschrieben in Water-Absorbing Characteristics of Acrylic Acid-Grafted Carboxymethyl Cellulose Synthesized by Photografting, Shin Kuwabara und Hitoshi Kubota, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 60, 1965-1970 (1996). In einer Ausführungsform weist die Wasser aufnehmende Schicht 202 eine Wasseraufnahmefähigkeit auf, die mit der Temperatur schwankt. In einer Ausführungsform ist die Wasseraufnahmefähigkeit der Wasser aufnehmenden Schicht 202 höher bei niedrigeren Temperaturen und niedriger bei höheren Temperaturen, bei einem signifikanten Abfall der Wasseraufnahmefähigkeit bei etwa 30 Grad Celsius. In einer Ausführungsform ist die Wasser aufnehmende Schicht 202 ein Schwamm. Die Wasser aufnehmende Schicht 202 kann geeignet sein, Wasser aus der umgebenden Luft aufzunehmen, oder es kann erforderlich sein, dass Wasser in flüssiger Form zugeführt wird.
  • Wenn der Ultra-Mobile-Personal-Computer 100 benutzt wird, und die Temperatur der Bauteile in seinem Inneren ansteigt, wird auch die Außenhülle 102 wärmer. Wasser, welches zuvor in der Wasser aufnehmenden Schicht 202 aufgenommen worden ist, kann dann freigesetzt werden, entweder auf Grund einer sinkenden Wasseraufnahmefähigkeit der Wasser aufnehmenden Schicht 202 oder auf andere Weise. Dieses freigesetzte Wasser kann danach verdampfen und dabei Wärme von der Außenhülle 102 abführen. In einer Ausführungsform ist die Dicke der Wasser aufnehmenden Schicht 202 so bestimmt, dass sie ein ausreichendes Maß an Wasseraufnahmefähigkeit bietet, um sicherzustellen, dass die Wirkung der Transpirationskühlung gegeben ist, auf Basis der Menge an Wasser, welches durch Brennstoffzelle 108 produziert wird. In einer Ausführungsform ist die Wasser aufnehmende Schicht 202 einen Millimeter dick.
  • Die wasserdichte Schicht 204 verhindert, dass Wasser, mit der Baugruppe mit integrierter Schaltung 106 in Berührung kommt. In einer Ausführungsform besteht die wasserdichte Schicht 204 aus Kunststoff. In einer weiteren Ausführungsform besteht die wasserdichte Schicht 204 aus Metall. In einer Ausführungsform ist die wasserdichte Schicht 204 in das Gehäuse 104 eingebaut. Die wasserdichte Schicht 204 kann eine Öffnung aufweisen, durch welche der Wasseranschluss 114 Wasser, das durch Brennstoffzelle 108 produziert wird, für die Wasser aufnehmende Schicht 202 bereitstellen kann.
  • Die äußere Schicht 206 bedeckt im Wesentlichen die Wasser aufnehmende Schicht 202 und bietet Öffnungen, durch die das Wasser in die und aus der Wasser aufnehmende(n) Schicht 202 gelangen kann. In einer Ausführungsform besteht die äußere Schicht 206 aus Kunststoff. In einer weiteren Ausführungsform besteht die äußere Schicht 206 aus Gummimaterial. Wie gezeigt, weist die äußere Schicht 206 Mikroporen 208 auf. Um zu verhindern, dass Wasser aus der Wasser aufnehmenden Schicht 202 austritt, wenn der Ultra-Mobile-Personal-Computer 100 nicht in Verwendung ist, kann die äußere Schicht 206 eine Abdeckung (nicht gezeigt) aufweisen, die über die Öffnungen in der äußeren Schicht 206 geschoben oder auf diese gedrückt werden kann.
  • Die Mikroporen 208 können einen Durchmesser aufweisen, welcher groß genug ist, dass Wasser hindurch gelangen kann, und welcher klein genug ist, um zu verhindern, dass Abschnitte der Wasser aufnehmenden Schicht 202 hindurch gelangen können.
  • 3 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels eines elektronischen Geräts, das geeignet ist für ein Implementieren einer Transpirationskühlung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das elektronische Gerät 300 soll eines darstellen von einer breiten Vielfalt traditioneller und nicht traditioneller elektronischer Geräte, Laptops, Mobiltelefonen, Funkkommunikations-Teilnehmergeräten, Personal Digital Assistants, oder irgendein elektronisches Gerät, für welches die Lehren der vorliegenden Erfindung von Vorteil sein könnten. Gemäß dem illustrierten Ausführungsbeispiel kann das elektronische Gerät 300 eines oder mehrere aufweisen von einem Prozessor 302, einem Speicher-Controller 304, einem Systemspeicher 306, einem Eingabe-Ausgabe-Controller 308, einem Netzwerk-Controller 310 und einem Eingabe-Ausgabe-Gerät 312, gekoppelt, wie gezeigt in 3. Das elektronische Gerät 300 kann eine Brennstoffzelle aufweisen und mit einer Außenhülle umgeben sein, wie zuvor als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Prozessor(en) 302 kann/können eines darstellen von einer breiten Vielfalt an Steuerlogik, umfassend, jedoch nicht eingeschränkt auf eines oder mehrere von einem Mikroprozessor, einer programmierbaren logischen Schaltung (PLD), einer programmierbaren logischen Anordnung (PLA), einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), einem Mikrocontroller, und Ähnliches, wenngleich die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt ist. In einer Ausführungsform ist/sind Prozessor(en) 302 (ein) IntelO-kompatible(r) Prozessor(en). Prozessor(en) 302 kann/können einen Befehlssatz aufweisen, welcher mehrere Befehle auf Maschinensprachebene enthält, welche aufgerufen werden können, zum Beispiel durch eine Anwendung oder durch ein Betriebssystem.
  • Speicher-Controller 304 kann jede Art von Chipsatz oder Steuerlogik darstellen, welche Systemspeicher 306 mit den anderen Bauteilen des elektronischen Geräts 300 verbindet. In einer Ausführungsform kann die Verbindung zwischen Prozessor(en) 302 und Speicher-Controller 304 als Front Side Bus bezeichnet werden. In einer weiteren Ausführungsform kann Speicher-Controller 304 als North Bridge bezeichnet werden.
  • Systemspeicher 306 kann jede Art von Speichervorrichtung (en) darstellen, welche zum Speichern von Daten und Befehlen verwendet wird/werden, die durch Prozessor(en) 302 verwendet worden sind oder verwendet werden können. Typischerweise wird, wenngleich die Erfindung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt ist, Systemspeicher 306 in einem dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM) bestehen. In einer Ausführungsform kann Systemspeicher 306 in einem Rambus DRAM (RDRAM) bestehen. In einer weiteren Ausführungsform kann Systemspeicher 306 in einem Double Data Rate Synchonous DRAM (DDRSDRAM) bestehen.
  • Eingabe-Ausgabe-(I/O-)Controller 308 kann jede Art von Chipsatz oder Steuerlogik darstellen, welche I/O-Geräte 312 mit den anderen Bauelementen des elektronischen Geräts 300 verbindet. In einer Ausführungsform kann I/O-Controller 308 als South Bridge bezeichnet werden. In einer weiteren Ausführungsform kann I/O-Controller 308 der Peripheral Component Interconnect (PCI) Express™ Base Specification, Revision 1.0a, PCI Special Interest Group, vom 15. April 2003, entsprechen.
  • Netzwerk-Controller 310 kann jede Art von Vorrichtung darstellen, welche ermöglicht, dass das elektronische Gerät 300 mit anderen elektronischen Geräten oder Vorrichtungen kommuniziert. In einer Ausführungsform kann Netzwerk-Controller 310 dem Standard 802.11b des Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., IEEE (vom 16. September 1999, ergänzend zu ANSI/IEEE-Standard 802.11, Edition 1999) entsprechen. In einer weiteren Ausführungsform kann Netzwerk-Controller 310 eine Ethernet-Netzwerkschnittstellenkarte sein.
  • Eingabe-Ausgabe-(I/O-)Gerät(e) 312 können jede Art von Vorrichtung darstellen, Peripheriegerät oder Bauteil, welche Eingaben in das elektronische Gerät 300 bereitstellt, oder welche Ausgaben aus demselben verarbeitet.
  • In der obigen Beschreibung sind, zu Zwecken der Erläuterung, zahlreiche spezifische Details ausgeführt, um ein tieferes Verstehen der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. In Fachkreisen versteht sich allerdings von selbst, dass die vorliegende Erfindung ohne einige dieser spezifischen Details umgesetzt sein kann. In weiteren Beispielen sind wohlbekannte Konstruktionen und Geräte in Form eines Blockdiagramms gezeigt.
  • Viele der Verfahren sind in ihrer grundsätzlichsten Form beschrieben, jedoch können einzelne Vorgänge hinzugefügt werden zu oder weggelassen werden von den Verfahren, und Information kann dazugegeben werden zu oder weggenommen werden von jeder der Aussagen, ohne den wesentlichen Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Jegliche Anzahl an Variationen der Idee der Erfindung ist innerhalb des Schutzbereichs und des Geistes der Erfindung von vorn herein enthalten. Daher sind die konkreten abgebildeten Ausführungsbeispiele nicht dargestellt, um die Erfindung einzuschränken, sondern ausschließlich um diese zu illustrieren. So ist der Schutzbereich der Erfindung nicht durch die spezifischen Beispiele bestimmt, welche oben gegeben sind, sondern allein durch die eindeutige Sprache der folgenden Ansprüche.

Claims (12)

  1. Vorrichtung, umfassend: eine Baugruppe mit einer integrierten Schaltung (106); eine Brennstoffzelle (108) zum Versorgen der Baugruppe mit der integrierten Schaltung (106) mit Energie, wobei die Brennstoffzelle (108) Wasser als Nebenprodukt produziert; ein Gehäuse (104) zum Aufnehmen der Baugruppe mit der integrierten Schaltung (106) und der Brennstoffzelle (108); und eine Außenhülle (102) zum Bedecken des Gehäuses (104), die Außenhülle (102) umfassend: eine wasserdichte Schicht (204), um zu Verhindern, dass Wasser mit der Baugruppe mit der integrierten Schaltung (106) in Berührung gelangt; und eine Wasser aufnehmende Schicht (202), zum Aufnehmen von Wasser von der Brennstoffzelle (108).
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1 umfassend einen Wasseranschluss (114) zum Bereitstellen des Nebenprodukts Wasser, von der Brennstoffzelle (108) zur Außenhülle (102) .
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die wasserdichte Schicht (204) eine Öffnung aufweist, durch welche der Wasseranschluss (114) Wasser, das durch die Brennstoffzelle (108) produziert wird, für die Wasser aufnehmende Schicht (202) bereitstellt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wasser aufnehmende Schicht (202) ein temperaturempfindliches Hydrogel umfasst.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das temperaturempfindliche Hydrogel eine mit Acrylsäure durch Grafting modifizierte Carboxymethylcellulose umfasst.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine äußere Schicht (206), welche Mikroporen (208) aufweist, die dazu ausgebildet sind, dass Wasser sich in die und aus der Wasser aufnehmende(n) Schicht (202) bewegt, wobei die äußere Schicht (206) im Wesentlichen eine äußere Fläche der Wasser aufnehmenden Schicht (202) bedeckt.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Brennstofftank (112) zum Beinhalten von Brennstoff für die Brennstoffzelle (108).
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Einfüllöffnung (116) in der äußeren Schicht (206), zum Koppeln einer Brennstoffquelle mit dem Brennstofftank (112) .
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle (108) eine Direktmethanol-Brennstoffzelle umfasst.
  10. Elektronisches Gerät (300), umfassend: einen Netzwerk-Controller (310); einen Systemspeicher (306); einen Prozessor (302); eine Brennstoffzelle (108), welche Wasser als ein Nebenprodukt produziert; und eine Außenhülle (102), welche den Netzwerk-Controller (310), den Systemspeicher (306), den Prozessor (302) und die Brennstoffzelle (108) bedeckt, wobei die Außenhülle (102) eine wasserdichte innere Schicht (204) umfasst, eine mittlere Schicht (202) aus einem temperaturempfindlichen Hydrogel und eine äußere Schicht (206), welche Mikroporen (208) aufweist.
  11. Elektronisches Gerät (300) nach Anspruch 10, wobei das temperaturempfindliche Hydrogel geeignet ist, mehr Wasser bei Temperaturen unter etwa 30 Grad Celsius aufzunehmen als bei Temperaturen über etwa 30 Grad Celsius.
  12. Elektronisches Gerät (300) nach Anspruch 10, wobei das temperaturempfindliche Hydrogel geeignet ist, Wasser von der Brennstoffzelle (108) aufzunehmen.
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