DE19710716A1 - Device for cooling electronic components - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kühlen von elektroni schen Bauelementen, vorzugsweise Hochleistungslaserdioden, die als eine Mikrostrukturwärmesenke ausgebildet ist und eine Vielzahl von Einzel schichten aufweist und wenigstens eine Mikrokanalplatte mit einer Vielzahl von Mikrokanälen sowie einem Verteilerkanal, wenigstens eine Zwischen platte mit einem oder mehreren Verbindungskanälen und wenigstens eine Sammelplatte mit einem oder mehreren Sammelkanälen vorsieht, wobei nach Aufeinanderfügen der Mikrokanalplatte, der Zwischenplatte und der Sammelplatte sowie dem Vorsehen einer die Einzelschichten abdeckende Deckel- und Grundplatte, abgeschlossene Kühlkanäle entstehen, durch die ein Kühlmedium leitbar ist, wobei das Kühlmedium durch eine Zulauföff nung in die Mikrostrukturwärmesenke hineingeleitet und durch eine Ablauf-Öffnung aus dieser wieder hinausgeleitet wird.The invention relates to a device for cooling electronics 's components, preferably high-power laser diodes, as one Microstructure heat sink is formed and a variety of individual has layers and at least one microchannel plate with a plurality of microchannels and a distribution channel, at least one intermediate plate with one or more connecting channels and at least one Provides collecting plate with one or more collecting channels, wherein after joining the microchannel plate, the intermediate plate and the Collection plate and the provision of a covering the individual layers Cover and base plate, closed cooling channels, through which a cooling medium is conductive, the cooling medium through an inlet opening lead into the microstructure heat sink and through a Drain opening is led out of this again.
Die vorstehend genannte Kühlvorrichtung ist insbesondere im Zusammen
hang wärmeerzeugender Hochleistungsbauelementen zu sehen, insbeson
dere Laserstrahlquellen, die derzeit an der Schwelle zu einem Generati
onswechsel hin zu preisgünstigen Halbleiterlasern mit höheren Wirkungs
graden stehen. Gaslaser- und Lampen-gepumpte Festkörperlaser werden
in vielen Anwendungsbereichen abgelöst durch sogenannte Hochlei
stungsdiodenlaser, abgekürzt HLDL, sowie Dioden-gepumpte Festkörper
laser, abgekürzt DPSSL. Leistungsstarke Diodenlaser setzen eine effiziente
Abfuhr der bei der Anregung des aktiven Mediums entstehenden Verlust
wärme von ca. 60% voraus. Dazu werden sogenannte aktiv gekühlte, d. h.
von Wasser als Kühlmedium durchflossene Mikrostrukturkühler eingesetzt,
auf die der eigentliche Diodenlaserbarren aufgelötet wird. Die Geometrie
zur Führung des Kühlwasserstroms innerhalb der Mikrokühler läßt sich da
bei in folgende Abschnitte unterteilen:
The cooling device mentioned above can be seen in particular in the context of heat-generating high-performance components, in particular laser beam sources, which are currently on the threshold of a generation change to inexpensive semiconductor lasers with higher efficiencies. Gas laser and lamp-pumped solid-state lasers are replaced in many areas of application by so-called high-performance diode lasers, abbreviated HLDL, and diode-pumped solid-state lasers, abbreviated DPSSL. Powerful diode lasers require an efficient dissipation of the heat loss of approx. 60% that occurs when the active medium is excited. For this purpose, so-called actively cooled microstructure coolers, through which water flows as a cooling medium, are used, onto which the actual diode laser bar is soldered. The geometry for guiding the cooling water flow within the micro cooler can be divided into the following sections:
- - Die Zu- und Ablauföffnungen des Mikrokühlers, der in der Fachliteratur auch als Mikrokanalwärmesenke bezeichnet wird,- The inlet and outlet openings of the micro cooler, which is in the specialist literature is also referred to as a microchannel heat sink,
- - denjenigen Teil, in dem der Großteil der Verlustwärme von dem Kühlkör per auf das Kühlwasser übertragen wird, im folgenden Mikrostruktur ge nannt, sowie- The part in which the majority of the heat loss from the heat sink is transferred to the cooling water, in the following microstructure called, as well
- - diejenigen Strukturen, die die Zu- und Ablaufstellen mit den Mikrostruktu ren verbinden, wie die sogenannten Versorgungsstrukturen oder Verbin dungskanäle.- those structures that the inlet and outlet points with the microstructure connect other such as the so-called supply structures or connections channels.
Aus der DE 43 15 580 A1 ist eine gattungsgemäße Mikrokanalwärmesenke beschrieben, die den vorstehend genannten Aufbau zeigt. Die aus einer Vielzahl von einzelnen Lagen bzw. Schichten bestehenden Kühlkörper sind vorzugsweise aus einzelnen strukturierten übereinander angeordne ten, 300 µm starken Kupferfolien gefertigt, die in geeigneter Weise über einander geschichtet und miteinander verschweißt sind.DE 43 15 580 A1 describes a generic microchannel heat sink described, which shows the above structure. The one Large number of individual layers or layers of existing heat sinks are preferably arranged one above the other from individual structured ten, 300 µm thick copper foils manufactured in a suitable manner are layered and welded together.
Der maximal mit einem derartigen Mikrokühler abführbare Wärmestrom bei einer gegebenen Grenztemperatur für den Laserdiodenbarren hängt unter anderem stark von dem zur Verfügung stehenden Kühlwasserdurchsatz durch die Mikrostruktur ab. Der Druckverlust über dem Mikrostrukturkühler steigt in erster Näherung mit dem Quadrat der Durchflußmenge und ist ent scheidend von der geometrischen Ausführung der Versorgungsstrukturen bzw. der Verbindungskanäle des Mikrokanalkühlers abhängig. Die Druck versorgung wird in der Regel durch externe Umwälzpumpen gewährleistet. Die äußeren Abmessungen des Mikrostrukturkühlers sind stark begrenzt und durch die entsprechende Größe der verwendeten Laserdioden be stimmt. Will man den Kühleffekt einer bekannten Mikrostrukturwärmesenke durch Steigerung der Kühlflüssigkeitsdurchsatzmenge erhöhen, so wird schnell die endliche Dichtigkeit des Kühlsystems erreicht, zumal Mikroküh ler in an sich bekannter Weise aus einzelnen, übereinander gefügten Schichten bzw. Lagen zusammensetzt, deren gegenseitige Lagenverbin dung nur eine endliche Festigkeit aufweist. Jede einzelne Lage bzw. Schicht der bekannten Mikrokanalwärmesenken weisen eine festgelegte Schichtstärke auf und kann nur zweidimensional strukturiert werden. Erst durch die Schichtung verschiedener Lagen wird eine dreidimensionale Struktur erreicht, die sich jedoch durch scharfe Kanten und abrupte Über gänge in den Übergängen zwischen den einzelnen Lagen auszeichnet. Versuche zeigten, daß derartige scharfe Kanten und abrupte Übergänge 62% des Druckverlustes bei den herkömmlichen Wärmesenken ausma chen. Die restlichen Anteile des Druckverlustes fallen auf Stoßverluste, mit einem Beitrag von 26% und auf Reibungsverluste mit einem Beitrag von 13%. The maximum heat flow that can be dissipated with such a microcooler a given limit temperature for the laser diode bar depends strongly dependent on the cooling water throughput available through the microstructure. The pressure drop across the microstructure cooler increases in the first approximation with the square of the flow rate and is ent differing from the geometric design of the supply structures or the connection channels of the micro-channel cooler. The pressure supply is usually guaranteed by external circulation pumps. The external dimensions of the microstructure cooler are very limited and be by the appropriate size of the laser diodes used Right. If you want the cooling effect of a well-known microstructured heat sink increase by increasing the coolant throughput, so quickly reaches the final tightness of the cooling system, especially since micro-cooling ler in a known manner from individual, superimposed Layers or layers put together, their mutual layer connection only has a finite strength. Every single layer or Layer of the known micro-channel heat sinks have a fixed Layer thickness and can only be structured in two dimensions. First layering different layers creates a three-dimensional one Structure achieved, however, by sharp edges and abrupt over in the transitions between the individual layers. Experiments have shown such sharp edges and abrupt transitions Measure 62% of the pressure drop in conventional heat sinks chen. The remaining parts of the pressure drop are due to impact losses a contribution of 26% and on friction losses with a contribution of 13%.
Bei den herkömmlichen Mikrostrukturwärmesenken läßt sich bei einer Druckdifferenz über den Mikrostrukturkühler von 4 bar ein Kühlwasser durchfluß von 500 ml pro Minute realisieren, wobei die maximale Wär meabfuhr durch die Mikrostrukturkühler und damit die Laserleistung des Hochleistungsdiodenlasers deutlich begrenzt sind. Der Grund für die Durchfluß- und Leistungsbegrenzung liegt in der Gestaltung der Strö mungsführung in der Versorgungsstruktur innerhalb des Mikrostrukturküh lers.In the conventional microstructure heat sinks, one can Pressure difference across the microstructure cooler of 4 bar a cooling water Realize flow of 500 ml per minute, the maximum heat Removal through the microstructure cooler and thus the laser power of the High power diode lasers are clearly limited. The reason for that Flow and power limitation lies in the design of the flow management in the supply structure within the microstructure cooling lers.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Kühlen von elektroni schen Bauelementen, vorzugsweise Hochleistungslaserdioden, die als eine Mikrostrukturwärmesenke ausgebildet ist und eine Vielzahl von Einzel schichten aufweist und wenigstens eine Mikrokanalplatte mit einer Vielzahl von Mikrokanälen sowie einem Verteilerkanal, wenigstens eine Zwischen platte mit einem oder mehreren Verbindungskanälen und wenigstens eine Sammelplatte mit einem oder mehreren Sammelkanälen vorsieht, wobei nach Aufeinanderfügen der Mikrokanalplatte, der Zwischenplatte und der Sammelplatte sowie dem Vorsehen einer die Einzelschichten abdeckende Deckel- und Grundplatte, abgeschlossene Kühlkanäle entstehen, durch die ein Kühlmedium leitbar ist, wobei das Kühlmedium durch eine Zulauföff nung in die Mikrostrukturwärmesenke hineingeleitet und durch eine Ablauf öffnung aus dieser wieder hinausgeleitet wird, derart weiterzubilden, daß bei Beibehaltung der äußeren Geometrie und unter Verwendung der bisher verwendeten Mikrostrukturen der Druckverlust, den das Kühlmedium beim Passieren durch die Mikrostrukturwärmesenke erfährt erheblich gesenkt werden soll. Es soll unter Beibehaltung der bisher verwendeten Kühlaggre gate der Durchfluß durch eine Wärmesenke erheblich gesteigert und der Wärmeübergangskoeffizient und damit der thermische Gesamtwiderstand wesentlich verbessert werden. Insbesondere soll an der bisher verwende ten Lagentechnik zum Aufbau derartiger Mikrostrukturwärmesenken fest gehalten werden. The object of the invention is to provide a device for cooling electronics 's components, preferably high-power laser diodes, as one Microstructure heat sink is formed and a variety of individual has layers and at least one microchannel plate with a plurality of microchannels and a distribution channel, at least one intermediate plate with one or more connecting channels and at least one Provides collecting plate with one or more collecting channels, wherein after joining the microchannel plate, the intermediate plate and the Collection plate and the provision of a covering the individual layers Cover and base plate, closed cooling channels, through which a cooling medium is conductive, the cooling medium through an inlet opening into the microstructural heat sink and through a drain opening is guided out of this again in such a way that while maintaining the outer geometry and using the previously used microstructures the pressure loss that the cooling medium during Passing through the microstructured heat sink is significantly reduced shall be. It should keep the cooling units used so far gate the flow through a heat sink increased significantly and the Heat transfer coefficient and thus the total thermal resistance be significantly improved. In particular, should use the so far ten layer technology to build such microstructure heat sinks being held.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft ausgestaltende Merk male sind Gegenstand der Ansprüche 2 ff.The solution to the problem on which the invention is based is in the claim 1 specified. Note advantageously configuring the inventive idea Male are the subject of claims 2 ff.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung der vorgenannten Gattung dadurch weitergebildet, daß die Zwischenplatte eine stufenhafte und/oder abge schrägte Übergangsstruktur bildet, wodurch die Querschnittsfläche der Zu- und Ablauföffnung, die sich jeweils aus einem senkrechten Schnitt zur Oberfläche durch alle Einzelschichten ergeben, in die Querschnittsfläche der Mikrokanäle, die sich aus einem senkrechten Schnitt durch die Mikro kanalplatte im Bereich der Mikrokanäle ergibt, sukzessive überführbar sind.According to the invention, a device of the aforementioned type is thereby further developed that the intermediate plate a gradual and / or abge forms an inclined transition structure, whereby the cross-sectional area of the and drain opening, each consisting of a vertical section to Surface through all individual layers result in the cross-sectional area of the microchannels resulting from a vertical section through the micro channel plate in the area of the microchannels, can be successively transferred.
Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, daß der größte Druckverlust, den die Kühlflüssigkeit beim Durchgang durch die Mi krostrukturwärmesenke erleidet, im Bereich der Verteilerstrukturen bzw. Verbindungskanäle auftritt. Erfindungsgemäß wird genau dieser Bereich der Mikrostrukturwärmesenke durch entsprechende Ausbildung der Zwi schenplatte derart modifiziert, so daß die Zwischenplatte der die Mi krostrukturwärmesenke durchfließende Kühlflüssigkeit eine Stufe entge gensetzt, so daß der Strömungsquerschnitt durch den Verbindungskanal durch entsprechende Strukturierung der Zwischenplatte sukzessive vom großen Eintrittsquerschnitt hin zum Querschnitt der Mikrostruktur überführt wird. Bei Verwendung von mehr als einer Zwischenplatte, kann eine gleichmäßigere Anpassung der jeweiligen Querschnittsüberführung durch unterschiedliche Ausbildung der Zwischenplatteen erfolgen.The invention is based in particular on the knowledge that the largest Pressure loss that the coolant passes through the Mi Crostructed heat sink suffers in the area of the distributor structures or Connection channels occurs. According to the invention, this is precisely this area the microstructured heat sink by appropriate training of the Zwi modified plate so that the intermediate plate of the Mi coolant flowing through the microstructure heat sink goes up one step set so that the flow cross-section through the connecting channel by appropriate structuring of the intermediate plate successively from large inlet cross-section transferred to the cross-section of the microstructure becomes. If more than one intermediate plate is used, one more even adaptation of the respective cross-section transfer different training of the intermediate plates take place.
Erfindungsgemäß sind wenigstens die Zwischenplatten derart strukturiert, daß sie Öffnungen aufweisen, die sogenannten Verbindungskanäle, durch die die Kühlflüssigkeit von einer Lage in die Nächste der Mikrostrukturwär mesenke fließt und die wenigstens eine Übergangsstruktur in Form einer Kante vorsehen, die geradlinig oder gebogen ausgebildet ist. Die Öff nungsgröße sowie Form und Länge der Kante jeder einzelnen Zwischen platte variiert von einer Zwischenplatte zur unmittelbar nächstliegenden Zwischenplatte in der Weise, daß Öffnungsgröße sowie Kantenform und -länge entweder schrittweise vergrößert oder verkleinert wird.According to the invention, at least the intermediate plates are structured in such a way that they have openings, the so-called connecting channels, through which heats the coolant from one layer to the next of the microstructure mesenke flows and the at least one transition structure in the form of a Provide an edge that is straight or curved. The public size, shape and length of the edge of each individual intermediate plate varies from one intermediate plate to the closest Intermediate plate in such a way that opening size and edge shape and -length is either gradually increased or decreased.
Im Falle der Strömungsquerschnittsreduizierung vom Eintrittsquerschnitt hin zum Mikrokanalquerschnitt wird der Strömungsquerschnitt von Lage zu Lage um jeweils die Dicke einer Zwischenplatte multipliziert mit der Länge der von der Kühlflüssigkeit überströmten Kante bzw. Übergangsstruktur re duziert.In the case of reducing the flow cross section from the inlet cross section towards the microchannel cross-section, the flow cross-section becomes layer by layer Position by the thickness of an intermediate plate multiplied by the length the edge or transition structure overflowed by the cooling liquid induced.
Auch weisen vorzugsweise die Mikrokanalplatte sowie die Sammelplatte eine Übergangsstruktur auf, die entsprechend an die Übergangsstrukturen der obersten bzw. untersten Zwischenplatte angepaßt ist.Also preferably have the microchannel plate and the collecting plate a transition structure that corresponds to the transition structures is adapted to the top or bottom intermediate plate.
Ferner ist festgestellt worden, daß neben der sukzessiven Strömungsquer schnittsanpassung zur Druckverlustreduzierung die Übergangsstrukturen zur gezielten Bildung von Strömungswirbeln innerhalb des Kühlflüssigkeits stroms dienen, die bei geeigneter Positionierung und Dimensionierung zu einer Verbesserung der Strömungseingenschaften der Kühlflüssigkeit durch die Mikrostrukturwärmesenke beitragen können.It has also been found that in addition to the successive flow cross Cut adjustment to reduce pressure loss the transition structures for the targeted formation of flow vortices within the cooling liquid currents are used with suitable positioning and dimensioning an improvement in the flow properties of the coolant the microstructure heat sink can contribute.
Die Erfindung soll unter Verwendung eines Ausführungsbeispieles ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand der nach stehenden Figuren erläutert werden. Es zeigen:The invention is intended to be used using an exemplary embodiment without Limitation of the general inventive concept based on the standing figures are explained. Show it:
Fig. 1 perspektivische Draufsicht auf eine Mikrokanalplatte mit den darunter befindlichen Zwischenplatten, Fig. 1 top perspective view of a microchannel plate with the underlying intermediate plates,
Fig. 2 perspektivische Draufsicht auf eine Sammelplatte mit den darunter befindlichen Zwischenplatten, FIG. 2 perspective view of a collection plate with the underlying intermediate plates,
Fig. 3 Überlagerungsdarstellung von fünf erfindungsgemäß ausgebildeten Zwischenplatten, Fig. 3 superimposition display of five inventively designed intermediate plates,
Fig. 4a und b Draufsicht auf eine Grund- und Deckelplatte, FIG. 4a and b top plan view of a base and cover plate,
Fig. 5 Verlauf des Strömungsquerschnittes in einer Wärmesenke und Fig. 5 course of the flow cross section in a heat sink and
Fig. 6 Druckverlustkennlinien von Standard- und optimierten Mikrostrukturwärmesenken. Fig. 6 pressure loss characteristics of standard and optimized microstructured heat sinks.
Die in Fig. 1 dargestellte Mikrostrukturwärmesenke besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer Grundplatte 1, einer Sammelplatte 2, fünf Zwischenplatten 3 bis 7 sowie einer Mikrokanalplatte 8.In the exemplary embodiment shown, the microstructured heat sink shown in FIG. 1 consists of a base plate 1 , a collecting plate 2 , five intermediate plates 3 to 7 and a microchannel plate 8 .
Auf die Deckel platte ist im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. l verzichtet worden, wodurch eine perspektivische Einsicht in den inneren Aufbau der Mikrostrukturwärmesenke möglich ist. Die Grund- und Deckel platte 1 und 13 sind in den Fig. 4a und 4b dargestellt und weisen je weils eine Öffnung auf, die sogenannte Zulauföffnung 9 bzw. die Ablauföff nung 12.On the cover plate has been omitted in the embodiment shown in FIG. 1, which allows a perspective view of the inner structure of the microstructured heat sink. The base and cover plate 1 and 13 are shown in FIGS . 4a and 4b and each have an opening, the so-called inlet opening 9 and the outlet opening 12th
Im dargestellten Beispiel der Fig. 1 wird Kühlflüssigkeit durch die Zulauf öffnung 9 der Grundplatte 1 senkrecht zur Zeichenebene von unten nach oben in die Mikrokanalwärmesenke eingeleitet und durch die nichtdarge stellte Deckelplatte in Richtung der stufenförmigen Kontur (siehe Pfeil) um gelenkt.In the example shown in FIG. 1, coolant is introduced through the inlet opening 9 of the base plate 1 perpendicular to the plane of the drawing from the bottom upwards into the microchannel heat sink and is deflected by the non-charging cover plate in the direction of the step-shaped contour (see arrow).
Die Kühlflüssigkeit fließt über die aufsteigende Treppenstruktur, die sich aus der Übereinanderschichtung der Zwischenplatten 3 bis 7 ergibt, auf die oberste Zwischenplatte 6 an der sie durch die nichtdargestellte Deckelplatte nach vorne in Richtung der Mikrokanäle 10 umgelenkt wird. Die Mikroka näle 10 sind als eine Art Kammstruktur ausgebildet, in deren Zwischen räume die Kühlflüssigkeit eindringen kann. Im hinteren Bereich der Kamm struktur ist unter dieser ein rechteckiger Durchgangskanal 11 vorgesehen, der zum einen alle Zwischenplatten 3 bis 7 durchsetzt und in der Ebene der Sammelplatte 2 mündet. Wie später zu Fig. 2 ausgeführt wird, wird die durch den rechteckigen Durchgangskanal 11 nach unten abfließende Kühl flüssigkeit durch die Grundplatte 1 in der Ebene der Sammelplatte nach vorn umgelenkt, so daß die Kühlflüssigkeit durch den in Fig. 1 dargestellten Austrittskanal 12 nach oben senkrecht zur Zeichenebene wieder austritt. Zusätzlich zu den Zwischenplatten 3 bis 7 weist auch die Sammelplatte 2 einen Verbindungskanal mit einer Übergangsstruktur als Kante auf, ver gleichbar zu dem aus Fig. 1 entnehmbaren Verbindungskanal der Mikro kanalplatte 8 (siehe Öffnung des Austrittskanal 12).The cooling liquid flows over the ascending stair structure, which results from the stacking of the intermediate plates 3 to 7 , onto the uppermost intermediate plate 6 , where it is deflected forward by the cover plate (not shown) in the direction of the microchannels 10 . The Mikroka channels 10 are designed as a kind of comb structure, in the spaces between which the coolant can penetrate. In the rear area of the comb structure, a rectangular through-channel 11 is provided below this, which on the one hand passes through all the intermediate plates 3 to 7 and opens into the plane of the collecting plate 2 . As will be explained later in relation to FIG. 2, the cooling liquid flowing down through the rectangular through-channel 11 is deflected forward through the base plate 1 in the plane of the collecting plate, so that the cooling liquid is vertically directed upward through the outlet channel 12 shown in FIG. 1 exits to the drawing level. In addition to the intermediate plates 3 to 7 , the collecting plate 2 also has a connecting channel with a transition structure as an edge, comparable to the connecting channel of the micro channel plate 8 that can be seen in FIG. 1 (see opening of the outlet channel 12 ).
Erfindungsgemäß weisen zumindest die Zwischenplatten Übergangskontu ren auf, die für die, die Mikrostrukturwärmesenke durchfließende Kühlflüs sigkeit eine Strömungsquerschnittsveränderung bewirkt. Durch diese in der Fig. 1 sich treppenförmig ergebende Kontur aus der Übereinanderfügung der Zwischenplatten 3 bis 7 wird der Eintrittsquerschnitt, der sich ergibt in Fig. 1 entlang der Schnittlinie A in Blickrichtung zur Treppenstruktur (siehe hierzu auch eingetragene Pfeilrichtung) sukzessive verringert, bis hin zum flach verlaufenden Strömungsquerschnitt oberhalb der Zwischenplatte 7, der sich nunmehr ausschließlich aus der Höhe h der Mikrokanäle sowie deren Gesamtbreite b ergibt. So wird der Eintrittsquerschnitt im Bereich der Zulauföffnung, der in aller Regel eine Breite von 5 mm und eine Höhe von 0,9 mm aufweist, durch die erfindungsgemäße Treppenstruktur sukzessive auf den Strömungsquerschnitt im Bereich der Mikrostrukturplatte mit Ab messungen von einer Breite von 0,3 und eine Höhe von 10 mm reduziert. Zwar wäre eine kontinuierliche Überführung der Querschnitte der theore tisch optimale Weg, jedoch ist dieser aufgrund der Lagenstruktur nicht möglich. Um die Querschnitte trotz Lagenstruktur möglichst optimal zu ver binden, werden die wasserführenden Strukturen innerhalb des Verbin dungskanals derart ausgeführt, daß die Unterschiede der einzelnen Strö mungsquerschnitte nur gering ausfallen. Durch die Vorsehung einer größe ren Anzahl von wasserführenden Zwischenebenen kann der Unterschied zwischen den einzelnen Querschnitten verkleinert werden, um so der idea len Strömungsführung möglichst nahezukommen. Eine größere Anzahl von Zwischenebenen kann entweder durch eine größere Gesamthöhe des Kühlers oder durch eine Verkleinerung der ebenen Stärke erzielt werden.According to the invention, at least the intermediate plates have transition contours which cause a change in the flow cross section for the cooling liquid flowing through the microstructure heat sink. This step-shaped contour in FIG. 1 from the superimposition of the intermediate plates 3 to 7 successively reduces the entry cross-section, which results in FIG. 1 along the section line A in the direction of view to the stair structure (see also arrow direction entered), down to to the flat flow cross-section above the intermediate plate 7 , which now results exclusively from the height h of the microchannels and their total width b. Thus, the inlet cross section in the area of the inlet opening, which generally has a width of 5 mm and a height of 0.9 mm, is successively reduced to the flow cross section in the area of the microstructure plate with dimensions of 0.3 by the step structure according to the invention and reduced a height of 10 mm. A continuous transfer of the cross-sections would be the theoretically optimal route, but this is not possible due to the layer structure. In order to connect the cross-sections as optimally as possible despite the layer structure, the water-carrying structures within the connec tion channel are designed such that the differences between the individual flow cross-sections are only slight. By providing a larger number of water-carrying intermediate levels, the difference between the individual cross sections can be reduced in order to come as close as possible to the ideal flow guidance. A larger number of intermediate levels can be achieved either by increasing the overall height of the cooler or by reducing the level thickness.
Neben der Erkenntnis, daß Druckverluste durch eine stufenweise Anpas sung der Strömungsquerschnitte reduziert werden können, verursachen die einzelnen Stufenabschnitte lokale Verwirbelungen innerhalb der Kühlflüs sigkeit, die gezielt zu einer optimalen Strömungsführung beitragen können.In addition to the knowledge that pressure losses through a gradual adjustment flow cross sections can be reduced, cause the local swirls within the cooling rivers fluid that can specifically contribute to optimal flow control.
In der gleichen Weise, wie der Eintrittsquerschnitt stufenweise an den Strömungsquerschnitt in der Mikrokanalplatte angenähert wird, ist in Fig. 2 dargestellt, daß in ähnlicher Weise in der Ebene der Sammelplatte 2 der Druckverlust in der Strömungsrückführung ebenso durch stufenweise An passung der Strömungsquerschnitte reduziert werden kann. In Fig. 2 ist die Draufsicht auf die Sammelplatte 2 dargestellt, wobei die Grundplatte 1 für den Einblick in die innere Struktur weggelassen ist. Die unterste Lage bildet nun die Deckel platte 13. Die Ansicht der in Fig. 2 dargestellten Mi krostrukturwärmesenke ergibt sich aus der umgekehrten Draufsicht vergli chen mit der Darstellung in Fig. 1.In the same way as the inlet cross section is gradually approximated to the flow cross section in the microchannel plate, it is shown in Fig. 2 that in a similar manner in the plane of the collecting plate 2 the pressure loss in the flow return can also be reduced by gradually adapting the flow cross sections . In FIG. 2, the plan view is displayed on the collection plate 2, the base plate 1 omitted for the insight in the internal structure. The lowest layer now forms the cover plate 13. The view of the microstructure heat sink shown in FIG. 2 results from the reverse plan view compared with the illustration in FIG. 1.
Die Kühlflüssigkeit tritt in der in Fig. 2 dargestellten Ansicht senkrecht nach oben aus der Zeichenebene aus der rechteckigen Öffnung 11 heraus. Auf grund der nicht dargestellten Grundplatte 1 wird die Kühlflüssigkeit entlang des Sammelkanals 14 in Richtung der abfallenden Stufenstruktur abgelenkt (siehe Pfeilrichtungen). Die Stufenstruktur setzt sich wiederum zusammen aus der Übereinanderfügung der entsprechend ausgebildeten Zwischen platten 3 bis 7 sowie der untersten Mikrostrukturplatte 8. Die Kühlflüssigkeit fließt sodann durch den Öffnungsbereich 12 senkrecht nach unten aus der Zeichenebene. In the view shown in FIG. 2, the cooling liquid emerges vertically upwards from the plane of the drawing out of the rectangular opening 11 . On the basis of the base plate 1 , not shown, the cooling liquid is deflected along the collecting duct 14 in the direction of the sloping step structure (see arrow directions). The step structure is in turn composed of the stacking of the appropriately designed intermediate plates 3 to 7 and the lowermost microstructure plate 8 . The coolant then flows through the opening area 12 vertically downward from the plane of the drawing.
Zur besseren Sichtbarmachung der Strukturierung jeder der einzelnen Zwi schenplatten 3 bis 7 ist in Fig. 3 eine Darstellung in Überlagerungstechnik gezeigt. Die einzelnen Zwischenplatten sind dabei von der Zwischenplatte 3 bis 7 von links nach rechts um ein Stück versetzt übereinandergezeichnet dargestellt. Zu erkennen sind die stufenweise vergrößerten Verbindungs kanäle für den Zulaufbereich (3', 4', 5', 6', 7') sowie für der Ablaufbereich (3'', 4'', 5'', 6'', 7'') sowie die rechteckige Öffnung 11 in jeder einzelnen Zwi schenplatte.For a better visualization of the structuring of each of the individual intermediate plates 3 to 7 , a representation in superimposition technique is shown in FIG. 3. The individual intermediate plates are shown from the intermediate plate 3 to 7 from left to right, one piece offset from the other. The incrementally enlarged connection channels for the inlet area ( 3 ', 4 ', 5 ', 6 ', 7 ') and for the outlet area ( 3 '', 4 '', 5 '', 6 '', 7 ') can be seen ') and the rectangular opening 11 in each individual inter mediate plate.
In Fig. 4a ist die Grundplatte 1 mit der Zulauföffnung 9 und in Fig. 4b ist die Deckelplatte 13 mit der Ablauföffnung 12 dargestellt.In Fig. 4a, the base plate 1 having the inlet opening 9 and in Fig. 4b, the cover plate 13 is shown with the discharge opening 12.
Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Zwischenplatten und den sich daraus ergebenden Versorgungsstrukturen bzw. Verbindungskanälen wird es ermöglicht, unter Beibehaltung der äußeren Geometrie der Wärme senken und unter Verwendung der bisher verwendeten Mikrostrukturen den Druckverlust einer einzelnen Wärmesenke um eine Größenordnung zu senken. Damit ist ein Betrieb des Diodenlasers mit einfachen und preis werten Peripherie-Aggregaten zur Kühlung möglich geworden. Alternativ kann unter Beibehaltung der bisher verwendeten Kühlaggregate der Durch fluß durch eine Wärmesenke erheblich gesteigert und der Wärmeüber gangkoeffizient, und damit der thermische Gesamtwiderstand, wesentlich verbessert werden.With the inventive design of the intermediate plates and resulting supply structures or connecting channels it is possible while maintaining the external geometry of the heat lower and using the microstructures previously used Pressure loss of an individual heat sink increases by an order of magnitude reduce. This makes the diode laser easy and inexpensive to operate peripheral devices for cooling have become possible. Alternatively can while maintaining the cooling units used so far flow significantly increased by a heat sink and the heat transfer coefficient, and thus the total thermal resistance, essential be improved.
Durch speziell aufeinander abgestimmte und strukturierte Zwischenplatten kann die bisher verwendete Lagentechnik ohne die eingangs erwähnten strömungsmechanischen Nachteile beibehalten werden.With specially matched and structured intermediate plates can the previously used layering technology without the aforementioned fluid-mechanical disadvantages are maintained.
Mikrostrukturkühler nach dem Stand der Technik haben, bei einer abzu
transportierenden Wärme von 70 Watt, folgende typische Betriebsdaten:
Microstructure coolers according to the prior art have the following typical operating data with a heat of 70 watts to be transported:
- - Druckverlust: 5 bar - Pressure drop: 5 bar
- - Durchfluß: 500 ml/min- Flow: 500 ml / min
- - Wärmeübergangskoeffizient: 87500 W/m2K- Heat transfer coefficient: 87500 W / m 2 K
- - Temperaturerhöhung: 29,99 K- Temperature increase: 29.99 K.
-
- Thermischer Gesamtwiderstand: 0,43 W/K
(bezogen auf die Aufstandsfläche des Diodenlaserbarrens).- Total thermal resistance: 0.43 W / K
(based on the contact area of the diode laser bar).
Mikrostrukturkühler mit der erfindungsmäßigen Versorgungsstruktur haben
bei 70 Watt Verlustwärme entweder folgende Betriebsdaten:
Microstructure coolers with the supply structure according to the invention either have the following operating data at 70 watt heat loss:
- - Druckverlust 0,5 bar- pressure drop 0.5 bar
- - Durchfluß 500 ml/min- flow rate 500 ml / min
- - Wärmeübergangskoeffizient: 87500 W/m2K- Heat transfer coefficient: 87500 W / m 2 K
- - Temperaturerhöhung: 29,99 K- Temperature increase: 29.99 K.
-
- Thermischer Gesamtwiderstand: 0,43 W/K
(bezogen auf die Aufstandsfläche des Diodenlaserbarrens)
oder:- Total thermal resistance: 0.43 W / K
(based on the contact area of the diode laser bar)
or: - - Druckverlust: 0,5 bar- Pressure loss: 0.5 bar
- - Durchfluß: 1200 ml/min- Flow: 1200 ml / min
- - Wärmeübergangskoeffizient: 200000 W/m2K- Heat transfer coefficient: 200000 W / m 2 K.
- - Temperaturerhöhung: 21,7 K- Temperature increase: 21.7 K.
-
- Thermischer Gesamtwiderstand: 0,31 W/K
(bezogen auf die Aufstandsfläche des Diodenlaserbarrens).- Total thermal resistance: 0.31 W / K
(based on the contact area of the diode laser bar).
Mit der erfindungsgemäßen Ausführung der Mikrostrukturwärmesenken kann die Ursache für die strömungsmechanischen Widerstände der Ver sorgungsstruktur deutlich gesenkt werden. Neben der Reduzierung der Verluste durch Umlenkungen und unstetigen Querschnittsänderungen konnte auch eine insgesamt geringere Strömungslänge realisiert werden, welches eine Reduzierung der Reibungsverluste zur Folge hat (siehe hier zu Fig. 5).With the design of the microstructure heat sinks according to the invention, the cause of the fluid mechanical resistances of the supply structure can be significantly reduced. In addition to the reduction of losses due to deflections and discontinuous changes in cross-section, a shorter overall flow length could also be realized, which leads to a reduction in friction losses (see here for FIG. 5).
Der Diagrammverlauf gemäß der durchgezogenen Linie entspricht dem Strömungsquerschnitt bezogen auf die Strömungslänge durch eine Stan dars-Mikrostrukturwärmesenke. Der gepunktete Graph entspricht der erfin dungsgemäß optimierten Mikrostrukturwärmesenke. Die Pfeile geben je weils den Bereich der Mikrokanäle an.The course of the diagram according to the solid line corresponds to that Flow cross-section based on the flow length through a Stan dars microstructure heat sink. The dotted graph corresponds to the invented microstructured heat sink optimized in accordance with the invention. The arrows give each because of the area of microchannels.
Durch die Reduzierung der Strömungswiderstände kann also entweder bei einem Durchfluß von 500 ml/min und einem thermischen Gesamtwider stand von 0,43 K/W der Druckverlust um den Faktor 10 gesenkt werden oder aber bei einem unveränderten Druckverlust der thermische Gesamt widerstand auf 0,31 K/W gesenkt werden.By reducing the flow resistance, you can either at a flow of 500 ml / min and a total thermal resistance of 0.43 K / W the pressure loss can be reduced by a factor of 10 or the thermal total if the pressure drop remains unchanged resistance can be reduced to 0.31 K / W.
Dies geht aus der Fig. 6 hervor, aus der die Druckverlustkennlinien von Standard- und optimierten Mikrostrukturwärmesenken zu entnehmen sind.This can be seen in FIG. 6, from which the pressure loss characteristics of standard and optimized microstructure heat sinks can be seen.
Claims (5)
- - eine Mikrokanalplatte mit einer Vielzahl von Mikrokanälen sowie einem Verteilerkanal,
- - eine Zwischenplatte mit einem oder mehreren Verbindungskanälen und
- - eine Sammelplatte mit einem oder mehreren Sammelkanälen vorsieht, wobei nach Aufeinanderfügen der Mikrokanalplatte, der Zwi schenplatte und der Sammelplatte sowie dem Vorsehen einer die Einzel schichten abdeckenden Deckel- und Grundplatte, abgeschlossene Kühlka näle entstehen, durch die ein Kühlmedium leitbar ist, wobei das Kühlmedi um durch eine Zulauföffnung in die Mikrostrukturwärmesenke hineingeleitet und durch eine Ablauföffnung aus dieser wieder hinausgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenplatte für das Kühlmedium ei ne stufenhafte und/oder abgeschrägte Übergangsstruktur bildet, durch die die Querschnittsflächen der Zu- und/oder Ablauföffnung, die sich jeweils aus einem senkrechten Schnitt zur Oberfläche durch alle Einzelschichten ergeben, in die Querschnittsfläche der Mikrokanäle, die sich aus einem senkrechten Schnitt durch die Mikrokanalplatte im Bereich der Mikrokanäle ergibt, sukzessive überführbar sind.
- a microchannel plate with a large number of microchannels and a distribution channel,
- - An intermediate plate with one or more connecting channels and
- - Provides a collector plate with one or more collector channels, whereby after joining the microchannel plate, the intermediate plate and the collector plate as well as the provision of a cover and base plate covering the individual layers, completed cooling channels arise through which a cooling medium is conductive, the cooling medium to be introduced through an inlet opening into the microstructure heat sink and is passed out again through an outlet opening, characterized in that the intermediate plate for the cooling medium forms a step-like and / or beveled transition structure through which the cross-sectional areas of the inlet and / or outlet opening, the result in each case from a vertical section to the surface through all individual layers, into the cross-sectional area of the microchannels, which results from a vertical section through the microchannel plate in the area of the microchannels, can be successively transferred.
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