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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Kühlen thermisch
hochbelasteter Bauelemente unter Verwendung des Siedekühlens
mit einem einen Wärmeübertrager aufweisenden Verdampfer,
insbesondere zur Kühlung von elektronischen Bauelementen auf
die der Verdampfer aufgesetzt, von einem Fluid überflossen
ist, das mittels einer kreislaufförmigen Strömung
einem Kondensator zugeführt wird.
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Die
schnelle Entwicklung in der Hochleistungselektronik bringt ständig
neue kompaktere Bauteile mit wachsenden Leistungsdichten und hohen Verlustwärmen
hervor. Wärmemengen von 10 kW auf Flächen unterhalb
200 cm
2 sind praktisch mit Standards einer
Kühlkörpertechnik des bekannten Standes der Technik
nicht mehr zu handhaben. Auch die schon für elektronische
Bauelemente eingesetzte Kühlung mittels Wasser kommt bei
hohen Wärmemengen an technisch nicht überschreitbare
Grenzen, so dass neue Konzepte der Kühlungstechnik gefragt sind.
Diese neuen Techniken stellen hohe Anforderungen an die Realisierung
der Wärmeabführung um stabile Betriebstemperaturen
zu gewährleisten. Für die Größe
des Wärmetransportes ist die konkrete Ausgestaltung von
Wärmeübertragern sehr kompliziert, die mit speziell
ausgestalteten Kondensatoren zu verbinden sind, deren Wärmeübertragungsleistung
an das sekundäre Kühlmittel sowie die Tropfenbildung
des Kondensats gebunden sind. Die Form und wie das Kondensat die
kondensierenden Oberflächen überflutet und diese
zum Verdampfer zurückleitet, sind von entscheidender Bedeutung.
Die
DE OS 101 02 689 zeigt
eine Kühlvorrichtung mit der das Kühlmittel komprimiert
an das zu kühlende Bauteil herangeführt wird und
ein Mittel zur Dekompression des Kühlmittels. Bei dieser
Vorrichtung handelt es sich offenkundig um eine Wärmepumpe
die im T-S-Diagramm die Umkehrung des Clausius-Rankine-Prozesses
darstellt. Das Verdampferteil und das Kondensatorteil stehen unter
relativ hohem Druck und müssen dementsprechend abgedichtet
werden. Dabei wird lediglich ein seit Jahrzehnten bekanntes Kühlverfahren
vorgestellt, ohne auf die spezifischen Probleme, nämlich
die Besonderheiten der Oberflächenstruktur der Wärmeübertragungsflächen
sowie die Form der Kühlmittel einzugehen. Aus der
DE OS 100 07 066 ist
eine Kühlvorrichtung der gattungsgemäßen
Art bekannt geworden, bei der eine Wärmeübertragungsplatine
aus Aluminium oder einer ähnlichen Legierung mit einem
Verdampferteil in einen Bereich eines Elektronikbauteiles hineinragt,
wobei das Verdampferteil durch eine Wand getrennt zu einem Kondensatorteil weitergeführt
wird, welches mit einer möglichst großen, sichtbar
berippten Wärmeübertragungsfläche in
Kontakt gebracht und mit einem sekundären Kühlmittel
verbunden ist. Mittels weiterer Offenbarung erfolgt bei dieser Kühlvorrichtung
der Rücktransport des kondensierten primären Kühlmittels
unter Schwerkraft. Aus dem erkennbaren Missverhältnis der
Wärmeübertragungsflächen des Verdampferteils
zum Kondensatorteil ist deutlich, dass bei der vorgestellten Kühlvorrichtung
nur ein äußerst begrenzter Wärmemengentransport
von einem thermisch belasteten Bauteil, insbesondere einem Elektronikbauteil
an das Kühlmittel gewährleistet ist.
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Die
DE OS 100 17971 offenbart
eine Kühlvorrichtung der entsprechenden Gattung, bei der
ein Rücktransport des im Kondensatorteil kondensierten Kühlmittels
entweder über eine dort nicht dargestellte Pumpe oder unter
Schwerkraft zurück in das Verdampferteil erfolgt. Die Kühlvorrichtung
soll aus einem Mikrowärmeübertrager bestehen,
dessen Verdampferteil das Kühlmittel teilweise verdampfen
lässt und die flüssige sowie die Dampfphase des
primären Kühlmittels zu einem nicht näher
bezeichneten Kondensatorteil leitet, in welchem die Dampfphase verflüssigt
und erneut unter Schwerkraft oder mittels eine Pumpe zum Verdampferteil
zurückgeführt wird. Die erfindungsgemäße
Lösung ist jedoch nicht ausreichend offenbart und kann
nur von einem mit der Lösung solcher Aufgaben betrauten
Fachmann mitgelesen werden, ohne dass sie einen Offenbarungsgehalt
darstellen kann. Der Mikrowärmeübertrager soll
durch eine Vielzahl von durchströmten Kanälen eine
relativ vergrößerte Wärmeübertragungsfläche bilden,
die wiederum von einem geeigneten primären sowie sekundären
Kühlmittel beaufschlagt werden können. Die erkennbar
aufgabenhafte Offenbarung zeigt jedoch keinen konkreten Hinweis
auf die spezifische Ausbildung des Verdampferteiles sowie des dazugehörigen
Kondensators. Der Verdampfer ist in bekannter Weise dargestellt
und seine Wärmeübertragungsleistung ist, wie der
Schrift zu entnehmen, unzureichend. Wie effektiv dabei die Wärmemengen durch
eine Film- oder Blasenverdampfung vom thermisch belasteten Bauteil
auf das primäre Kühlmittel übertragen
werden können, hängt stark von den Eigenschafen
der Oberflächenstruktur, nämlich von der Größe
der Oberfläche, der Kapillarität und Benetzungsrate,
von seine Porosität und der mechanischen Festigkeit des
Wärmeübertragerteiles innerhalb des Verdampfers
ab. Es ist aus der
DE
OS 103 33 871 bekannt, ein mit einem thermisch belasteten Bauelement
insbesondere der Leistungselektronik wäremübertragend
gekoppeltes Verdampferteil aus einer Vielzahl von matrixartig angeordenten
Stäben, Rohren, Ebenen oder gekrümmten Platten
oder einer Kombination davon aus Kupfer oder Aluminium auszubilden,
deren Oberfläche ganz oder teilweise mit Vorsprüngen
in Form von geordneten Mikrostrukturen bedeckt ist. Diese Mikrostrukturen
werden galvanisch hergestellt und weisen wahlweise eine Stiftform auf,
die mit ihren Längsachsen entweder senkrecht oder unter
einem Winkel zur Oberfläche der Stäbe, Rohre oder
Platten angeordnet sind. Mit Beachtung der hohen Wärmeleitfähigkeit
von Kupfer und Aluminium können von dem Bauelement erhebliche
Wärmemengen über die Basisfläche auf
die Kupfer- oder Aluminiumstäbe übertragen werden.
Aufgrund der angeordneten Mikrostrukturen ist deren Oberfläche mit
zu dem 50ig-fachen gegenüber einer glatten Oberfläche
vergrößert. Da die Stiftform der Mikrostrukturen
stoffschlüssig mit dem Bauteil verbunden ist, wird eine
große Wärmeübertragungsleistung von der
Basisfläche des Verdampfers über die Oberflächenstruktur
mit den stiftförmigen Vorsprüngen gesichert. Durch
die Oberflächenstruktur können sich in den Mikrostrukturen
zwischen den Stiften und Vorsprüngen beim Verdampfungsprozess
ungehindert Dampfblasen entwickeln, die bei einer Erhitzung der Flüssigkeit
im Siedebereich mit entsprechenden Temperaturdifferenzen Dampfblasen
mit großen Abmessungen entstehen lassen, deren Abriss in
den offenen Hohlräumen zwischen den Mikrostrukturen erneute
Dampfblasen keimen und expandieren lassen, so dass nicht nur einen
hohe Blasendichte, sondern eine große Blasenfrequenz gewährleistet
ist. Dementsprechend hoch ist auch die Größe des
Wärmemengentransportes pro Zeiteinheit auf der Kontaktfläche
des Wärmeübertragers. Die Erfindung offenbart
weiterhin, dass der Kondensator gemäß der Erfindung
als Rohrbündel, Stabbündel oder Plattenkondensator
ausgebildet ist und die vom primären Kühlmittel
beaufschlagte Seite im Verdampfer wieder mit aufgalvanisierten,
gleichartigen Mikrostrukturen versehen ist, die auf die Oberfläche
der Kondensatorflächen aufgebracht sind und den Verdampfungsleistungen
des Wärmeübertrages des Verdampfers angepasst
sind. Die Schrift offenbart spezifisch, dass die Flächendichte
und die Dicke der stiftförmigen Vorsprünge beim
Verdampfer sowie beim Kondensator angepasst an die Eigenschaften
des verwendeten Fluids zwischen 10
2/cm
2 und 10
8/cm
2 bei einer Dicke von 100 μm und
0,2 μm angesiedelt sind. Es ist bekannt, stationäres
Sieden unter Verwendung von Mikrostrukturen durchzuführen.
Dabei werden Rohre, Vollstäbe oder Platten mit einer Mikrostrukturen
versehen Bei der Verwendung von Rohren oder Vollstäben
werden diese in einen Glaszylinder eingebracht, der anschließend
mit einem Kältemittel gefüllt wird. Danach wird
das Rohr mit temperiertem Wasser durchflossen oder im Falle der
Verwendung eines Vollstabes von Innen mit Heizstäben erhitzt.
Zur Verwendung von Platten ist ein Gehäuse entwickelt worden,
dessen Rückwand gleichzeitig die Mikrostruktur trägt.
Das Gehäuse, seiner Funktion entsprechend als Verdampfer
zu bezeichnen, wird mit einem Kältemittel ausgefüllt
und darauf anschließend mit einer Heizplatte beheizt. Die
an den Rohren, Stäben und Platten durchgeführten
Messungen haben gemeinsam, dass das Kältemittel, das Fluid,
im „stationären" Zustand die Mikrostrukturprofile
durchflutet. Während des Siedens, also des Vorganges der
Wärmeübertragung, ist der Prozess sich selbst überlassen,
d. h. in Abhängigkeit von der Größe des
eingestellten Wärmeflusses und der Art der Mikrostruktur
stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der Dampfblasenbildung und
dem Flüssigkeitstransport zu den aktiven Keimzellen in
der Mikrostruktur ein. Ist die Oberflächenstruktur günstig
ausgewählt, dann ist das sich einstellende Gleichgewicht
ausbalanciert und wird nicht zu einer Übertemperatur führen.
Im weiteren Verfahrensverkauf ist ein Zustand zu verzeichnen, bei
dem das Gleichgewicht gestört wird. D. h. es bildet sich mehr
Dampf an der Oberfläche der Struktur als Flüssigkeit
nachrücken kann. Das jetzt geschilderte Phänomen
wird Dampf- oder Siedeform oder auch Leidenfrostphänomen
genannt. In der Regel ist ein definierter kritischer Wärmefluss
notwendig, um einen Siedefilmeffekt hervorzurufen. Setzt der Siedefilm ein,
wirkt er stark isolierend, d. h. die Wärme kann nicht abfließen
und die Temperatur des Stabes oder der Strukturplatte steigt erheblich
an. In einigen Fällen kann das innerhalb einiger Sekunden
eintreten und zu signifikanten Materialschäden führen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Einrichtung zum Kühlen
thermisch hochbelasteter Bauelemente, unter Verwendung des Siedekühlens
mit einem, einen Wärmeübertrager aufweisenden
Verdampfer, der mittels einer kreislaufartigen Strömungsführung
mit einem Kondensator verbunden ist zu schaffen, mittels der von
thermisch hoch belasteten Bauelementen mit einer Kühlvorrichtung geringen
Volumens, ohne eine Volumenvergrößerung des Wärmeübertragers
eine deutlich höhere Wärmemenge abgeführt
werden kann.
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Die
Erfindung löst die Aufgabe mit einer Einrichtung der ein
mit einem Bauelement gekoppelten Verdampfer, ein als Wärmeübertrager
ausgebildetes Bauteil, dem auf seiner Wärmeübertragerfläche
eine Vielzahl von Mikrostrukturen und eine flache Bauform, zugeordnet
ist. Zwischen den Mikrostrukturen des Wärmeübertragers
sowie der Bedeckung des Bauteils ist ein enger, flacher Durchflussraum
gebildet, durch den mittels einer Pumpe ein elektrisch hoch isolierendes
Fluid in einem Kreislauf gedrückt wird und beim Überströmen
der Mikrostrukturen der Siedefilm eine sehr große Ausdehnung
erhält, die bei einer Ausbreitung von ≤ 100 μm
Mächtigkeit eine schnelle, wandnahe Strömung vorausgesetzt
und eine Ausbreitung des Filmes gestört ist und durch den
Wärmeabtrag gebildete Dampfblasen intensiv aufgenommen
und zu einem Kondensator geführt werden, in dem der Dampf
auf eine niedere Temperaturstufe verflüssigt und auch das
Fluid auf eine geringere Temperatur als der Dampf geführt,
dem Verdampfer beschleunigt wieder zugeleitet ist und mittels der
erhaltenen Intensivierung der Duchflussgeschwindigkeit des Fluides
zwischen der mikrostrukturierten Oberfläche des Wärmeübertragers
und der durch die annähernd aufliegende Bedeckung erzeugten
engen Durchlassöffnung eine Erhöhung der Dampfblasenbildung
erreicht, deren Transport zum Kondensator vorgenommen wird, darin
in eine Flüssigkeitsphase zurückgekühlt
in den Verdampfer gelangt und mit einem Ungleichgewicht zwischen
Fluid und Dampftemperatur im Verdampfer ein unterkühltes
Strömungssieden erzeugt ist. Die Erfindung ist weitergeführt,
wenn die auf der Wärmeübertragerfläche
des Verdampfers eingearbeiteten Mikrostrukturen von dem beschleunigt
fließenden Fluid mit einer geringen Mächtigkeit über-
sowie durchströmt werden, das durch die Verlustwärme
des zu kühlenden Bauelementes zum Sieden gebracht, in einer
Dampf- und Flüssigkeitsphase in den Kondensator gepumpt und
nach Verflüssigung in den Verdampfer mit unterschiedlichen
Fluid- und Wärmeübertragertemperaturen zusammengeführt
werden. Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass durch das druckintensivierte
Durchströmen des Verdampfers mit dem Fluid eine hohe Siederate
und damit eine vergrößerte Dampfblasenmenge erzeugt
wird. Es ist vorteilhaft nach der Erfindung, dass die Parameter
in Art und Ausbildung der Mikrostruktur, Volumen des Fluids und
seinem Durchflussprofil im Verdampfer sowie der Durchströmgeschwindigkeit
abgestimmt werden, um einen hohen Wärmefluss mit dem Verdampfer
zu realisieren. Ausgestaltet ist die Erfindung damit, dass der Ausbildung
der Mikrostruktur auf dem Wärmübertrager des Verdampfers
eine Pinhöhe von 10 μm bis 100 μm zugeordnet
sind wobei es sinnvoll ist, der Struktur eine Pinhöhe von
absolut 50–100 μm zu verleihen. Es ist im Sinne
der Erfindung, dass die Kondensationsflächen des Kondensators
in abgestimmter Weise mit Mikrostrukturen versehen sind, die auf
die Wirkungsweise des Wärmeübertragers im Verdampfer abgestimmt,
eine hohe Kühlrate bei einer kleinstmöglich umlaufenden
Fluidmenge generieren. Die erfindungsgemäße Einrichtung
weist einen Verdampfer mit einer mikrostrukturierten Wärmeübertragerfläche auf. Über
der Wärmeübertragerfläche ist eine Bedeckung
angeordnet, in der Ein- und Ausgabeöffnungen für
den Durchfluss des Fluides im Verdampfer eingearbeitet sind. Die
Bedeckung ist sehr flach dimensioniert und überspannt die
Wärmeübertragerfläche mit einem dünnen
Spalt, der eine äußerst geringe Höhe
gegenüber der Wärmeübertragerfläche
aufweist. Durch die äußerst flache Gestaltung
des Profiles des Kühlmittels, dass als Fluid ausgebildet, über eine
hohe Benetzungs- und Strömungswirkung verfügt,
ist eine intensive Blasenbildung im Kühlmittelfluss über
dem Wärmeübertrager gewährleistet. Das Fluid
wird mittels einer Pumpe aus dem Verdampfer in einen Wärmekreislauf
in einen Kondensator geführt. Vorteilhafterweise ist die
Wärmeübertragerfläche an ihrer Oberseite
mit Mikrostrukturen besetzt und weist eine ebene, plane Ausbildung
auf. Es ist eine vorteilhafte Lösung nach der Erfindung,
dass die Wärmeübertragerfläche des Verdampfers
als flaches Modul ausgebildet ist, über dessen, mit Mikrostrukuten
ausgebildete Oberfläche das Fluid strömt und durch
den zwischen der Bedeckung und der Wärmeübertragerfläche
ausgebildeten Durchflussspalt geringer Öffnungshöhe
mit geringer Mächtigkeit, flächig geführt
ist. Es ist eine Ausführungsform der Erfindung, dass der
Verdampfer eine Wärmeübertragerfläche
aufweist, die mit dem zu kühlenden Bauelement direkt und
flächig verbunden auf der Seite der Mikrostrukturen zur
Wärmeübertragung mit dem Fluid in Verbindung gebracht
ist und die mit dem Bauelement verbunden, mit Mikrostrukturen besetzte
Wärmeübertragerfläche einmal auf dem
Bauteil vorgesehen und in vorteilhafter Weiterführung der
Erfindung auch als gegenüberliegende mikrostrukturierte
Wärmeübertragerfläche auf der Innenseite
der Bedeckung über der Wärmeübertragerfläche
eingefügt ist. Es ist eine Gestaltung der erfindungsgemäßen
Lösung, dass der Verdampfer mit dem eingefügten
flachen Modul ausgerüstet ist, dass mit seiner, eine Innenfläche
ausformenden Wärmeübertragerfläche in einer
flachen Bauform ausgebildet und auf dem Bauelement zur Übertragung
der Verlustwärme angeordnet ist. Einer abschließenden
Ausformung der Erfindung folgend, ist der Spalt für den
Durchfluss des Fluides in einer Höhe von 1 bis 10 mm ausgeführt. Die
Lösung nach der Erfindung konkretisiert sich dadurch, dass
der Durchflussspalt für das Fluid in dem Verdampfer über
der Wärmeübertragerfläche eine Höhe
von 5 mm gegenüber der Bedeckung aufweist. Das in der erfindungsgemäßen
Lösung aufgeführte Modul formt die Wärmeübertragerfläche
aus und folgt mit seinen Abmessungen den Konturen der Anlagefläche
des Bauelementes.
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Die
Einrichtung weist den Vorteil auf, dass jetzt eine hochwirksame
Kühlanordnung unter Verwendung von Flüssigkeiten,
verbunden mit einem neuartigen Konzept des Strömungssiedens,
an Wärmeübertragern mit Mikrostrukturen zur Anwendung gebracht
wird. Zusammengefasst arbeitet die Einrichtung mit folgenden Einzelmerkmalen.
- – Als Grundlage ist das Prinzip des
Siedekühlens angenommen.
- – In der Einrichtung wird ein mikrostrukturiertes Oberflächenprofile
des Wärmeübertragers als Grundlage für
das Verdampfen eingesetzt.
- – Vorteilhaft überströmt das Wärmeübertragungsfluid
im Verdampfer den mikrostrukturierten Wärmeübertrager
mit hoher Geschwindigkeit bei Vorhandensein einer sehr dünnen
Fluidschicht mit extrem hohen Wärmeströmen. Es
entsteht ein hocheffektives Strömungssieden.
- – Der in der Einrichtung verwendete Kondensator kann
Wasser- sowie luftgekühlt ausgelegt werden und erfüllt
dabei zwei Aufgaben: Verflüssigung des Dampfes als Kondensation
sowie Abkühlung des strömenden Fluides.
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Es
ist ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß entwickelten
Einrichtung für ein Strömungssieden, dass neben
einem Variieren der Mikrostruktur auch die lineare Flussgeschwindigkeit
veränderlich eingestellt werden kann. Es besteht der Vorteil,
den kritischen Wärmefluss weiter nach oben zu verschieben.
Mit einer angepasst eingestellten Strömung werden der Siedefilm
und gleichzeitig die Flüssigkeit auf der Oberfläche
und in der Mikrostruktur aufgerissen. Es wird ein schneller Abtransport
der sich ausbildenden, die Wärme speichernden Dampfbläschen erreicht.
Da der Siedefilm in seiner Mächtigkeit eine Ausdehnung
von schätzungsweise 100 μm aufweist, ist eine
schnelle, wandnahe Strömung notwendig, um ein Ausbreiten
des Filmes zu stören. Eine einfache, bisher bekannte Durchflutung
des Verdampfergehäuses ist nicht ausreichend, um die notwendigen Effekte
zu erzielen. Das Gehäuse weist deshalb vorteilhaft eine
extrem flache Form auf, durch die das Fluid als Kältemittel
gepumpt wird. Die getroffene Wahl der Mikrostruktur und die der
Spalthöhe (Gehäusehöhe) sowie die Wahl
der Fluidpumpe sind zum Erreichen des erfindungsgemäßen
Effektes aufeinander abgestimmt. Weitergehende Erkenntisse zeigen,
das auch die Art der Zu- und Abläufe des Fluides bzw. das
Fluid-Dampfgemisch einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Siederate
und damit auf die Wärmeübertragung haben. Vorteilhaft
konnten über eine 10 cm × 10 cm erstreckte Mikrostrukturfläche
bis zu 6000 W abgeführt werden. Das bedeutet, dass mit
60 W/cm2 eine nie erreichte Größe
der Wärmeübertragung erreicht worden ist, wobei
der Siedefilm noch gar nicht vollständig optimiert wurde.
Die Spaltbildung im Verdampfer beträgt dabei 6 mm und die
lineare Geschwindigkeit des Siedefilmes 0,2 m/s. Vorteilhafterweise
entsteht bei dem erfindungsgemäßen Arbeitsverlauf
ein weiterer Effekt, dass die Strömung das Fluids im Kondensator
noch zusätzlich abkühlt und neben dem Sieden noch
eine Kühlung durch Konvektion des Fluids über
die Strukturplatte erfolgt. Nach bisherigen Messungen liegt das
Fluid mit seiner Temperatur bei 20°C, wobei die Dampftemperatur
durchaus höher, bei ca. 35°C liegen kann. An der
Strukturplatte liegt ein sogenanntes unterkühltes Sieden
vor.
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Die
Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher
erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung
zeigen:
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1:
Die Einrichtung in ihrer Gesamtkonfiguration.
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2:
Den Verdampfer mit angefügtem Bauelement.
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3:
Die mikrostrukturierte Wärmeübertragerfläche
in einer gesonderten Darstellung.
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1 stellt
die Einrichtung 1 in ihrer Gesamtkonfiguration dar. Dabei
ist einem Verdampfer 2 eine Pumpe 4 vorgeordnet,
welche ein elektrisch isoliertes Fluid, aus einem Kondensator 3 kommend,
dem Verdampfer 2 zuführt. Im Verdampfer 2 wird
das Fluid verdampft und über eine Leitung 6 dem
Kondensator zugeführt und zum Kondensieren gebracht, um über die
Leitung 5 der Pumpe 4 wieder zugeführt
zu werden, welche das Fluid in einem erneuten Kreislauf dem Verdampfer 2 zuführt.
Die Richtungspfeile 7, 8, 14 zeigen die
Strömungs- und Durchlaufrichtung im Wärmekreislauf
an. Der Verdampfer 2, der Kondensator 3, die Pumpe 4 sind
durch Leitungen 5, 5', 6 verbunden. 2 zeigt
den Verdampfer 2 in einer vergrößerten
Darstellung. Das Bauelement 10 ist mit dem Verdampfer 2 in
dichtem Kontakt verbunden. Der Wirkkontakt zum Bauelement 10 wird
durch ein mikrostrukturiertes Bauteil in Form eines Wärmeübertragers
hergestellt, dessen mikrostrukturierte Wärmeübertragerfläche 9 in
den Verdampfer 2 hineinragt und mit dem durchfließenden
Fluid in eine thermische Wirkverbindung gebracht wird. Das Fluid fließt
in den Verdampfer 2, über den Einlass 12,
der mit der Leitung 5' zur Pumpe verbunden ist und verlässt
den Verdampfer 2 durch den Auslass 11 über das
Rohr 6, in dem es in Richtung des Pfeiles 7 (1)
zum Verdampfer 2 gelangt und dort in einen wässrigen
Aggregatzustand gebracht, gekühlt zurückgeführt
wird. Der Durchflussspalt 13 zwischen der Bedeckung 17 und
der Wärmeübertragerfläche 9 ist
in geringer Dicke in den Dimensionen von 1 bis 10 ausgeführt,
um dem Fluid die Möglichkeit zu verleihen, dünnschichtig
und breitflächig mit einer gezielt eingestellten Strömungsgeschwindigkeit
von 0,2 m/s über die Wärmeübertragerfläche 9 zu
fließen und die Bildung von Dampfblasen 15 in
den Mikrostrukturen optimal zu bewirken, welche in Richtung des
Pfeiles 14 zum Auslass 11 strömen und
von da aus in den Kondensator 3 gelangen. 3 zeigt
die Ausbildung des strukturierten Bauteiles 16 mit der
aufgearbeiteten mikrostrukturierten Wärmeübertragerfläche 9. Die
Ausbildung des strukturierten flächigen Moduls 16 zeigt,
dass eine intensive Verbindung des Bauteiles 16 mit dem
thermisch belasteten Bauelement 10 durch die angepasste
Form und intensive Verbindungsart der beiden Bauteile 10; 16,
hergestellt werden kann. Für seine Wirkungsweise hat der
kompakt ausgefertigte Verdampfer 2 eine Wärmeübertragerfläche 9 mit
integrierten Mikrostrukturen. Die Wärmeübertragerfläche 9 wird
mit dem Wärmeübertragungsfluid überströmt
und durch die Verlustwärme des Bauelementes 10 zum
Sieden gebracht. Das dadurch erzeugte Dampf-Fluid-Gemisch wird zum
Kondensator 3 gepumpt, verflüssigt und dem Verdampfer wieder
zugeführt. Der Prozess erfolgt kreislaufförmig und
wiederholt, so wie es die 1 darstellt.
Für die Erfindung ist die Konstruktion des Verdampfers
von signifikanter Bedeutung, um große Wärmemengen abführen
zu können. Der mitlesende Fachmann erkennt, dass folgende
Parameter für die Verfahrensführung genau aufeinander
abzustimmen sind.
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Erstens,
die Art der Mikrostruktur auf der oder den Wärmeübertragerflächen 9 sowie
zweitens das Volumen und die Durchströmungsgeschwindigkeit
des Fluides. Das Wärmeübertragungsfluid wird über
die Wärmeübertragerfläche 9 gepumpt
und überströmt dabei seine mikrostrukturierte
Kontaktfläche, die bei einer hohen Siederate eine intensive
Blasenbildung des Fluides generiert. Mit einer wirksamen, wandnahen
Strömung werden die Dampfblasen 15 aus dem Verdampfer 2 ausgetragen
und in den Kondensator 3 transportiert. Um den Verdampfer 2 kompakt
und platzsparend auszubilden wird ein minimiertes Volumen des Verdampfers 2 angestrebt und
dazu ein flaches, strukturiertes Bauteil 16 und eine dementsprechend
flache Bedeckung 17 zur Anwendung gebracht. Damit wird
die vorher erwähnte intensive Durchströmung des
Verdampfers 2 erreicht, die ein Abtragen der in großer
Anzahl gebildeten Dampfblasen 15 aus dem Verdampfer 2 ermöglicht.
Das strukturierte flächige Modul 16 mit dem mikrostrukturierten
Wärmeübertrager 9 ist ausführungsgemäß aus
einem Aluminium- oder Edelstahlgehäuse gebildet, wobei
es dem mitlesenden Fachmann nicht entgehen kann, dass auch die Innenflächen
des Gehäuses des Verdampfers 2 im Bereich des
Spaltes 13 mit Mikrostrukturen belegt werden können,
um die Blasenbildung und damit die Kühlrate zum Abtragen
der Verlustwärme auf dem Bauelement 10 zu intensivieren.
Wie bereits vorstehend erwähnt, ist das zu kühlende
Bauelement 10 mit der Rückwand des Modules 16 der
mikrostrukturierten Wärmeübertragerfläche 9 fest
in Kontakt gebracht. Die bereits vorstehend dargestellten Fakten
lassen erkennen, dass sich mit der sehr geringen Kantenhöhe
des Gehäuses ein geringer Durchflussspalt 13 resultieren
lässt, der eine wirksame Durchflussmenge und wandnahe Strömung
gewährleistet, welche ein Mitreißen der in der
Mikrostruktur gebildeten Dampfblasen 15 in bisher nicht
erreichtem Umfang ermöglicht.
-
- 1
- Einrichtung
- 2
- Verdampfer
- 3
- Kondensator
- 4
- Pumpe
- 5,
5', 6
- Leitung
- 7,
8, 14
- Richtungspfeile
- 9
- microstrukturierte
Wärmeübertragerfläche
- 10
- Bauelement
- 11
- Auslass
- 12
- Einlass
- 13
- Durchflussspalt
- 14
- Strömungsrichtung
- 15
- Dampfblasen
- 16
- strukturiertes,
flaches Modul
- 17
- Bedeckung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10102689 [0002]
- - DE 10007066 A [0002]
- - DE 10017971 A [0003]
- - DE 10333871 A [0003]