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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Kühlplatte
mit Kapillarkanälen
für Flüssigkeitskühler.
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Stand der Technik
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Der
Gründer
von Intel Corporation Gordon Moore sprach in 1965, dass sich die
Anzahl der Schaltkreiskomponenten auf einem Computerchip etwa alle
18 Monate verdoppelt. Dies ist das bekannte Mooresches Gesetz. Die
Entwicklung von Intel in den letzten 40 Jahre bestätigt dieses
Gesetzt. Bis 2010 kann die Anzahl der Schaltkreiskomponenten auf
einem Computerchip 1 Billion erreichen. Mit der Entwicklung der
32 nm-Technik kann
die Anzahl der Schaltkreiskomponenten der nächsten Generation sogar 2 Billionen
erreichen. Mit der Erhöhung
der Dichte der Schaltkreiskomponenten auf dem Computerchip steigt
die Betriebswärme
auch um mehr als 10 Fach. Wenn die Betriebswärme 1000 W/cm2 beträgt, kann
die Temperatur im Zentrum etwa 6000°C erreichen. Die Leistung und
die Lebensdauer des Chips wird beeinträchtigt, wenn diese Wärme nicht abgeführt wird.
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1 zeigt
einen herkömmlichen
Flüssigkeitskühler, der
aus einer Kühlplatte 1,
einer Pumpe 2, einem Kühlkörper 3 aus
Kühlrippen
und einem Schlauch besteht. Die Kühlplatte 1 steht mit
der Wärmequelle
(Chip, wie Zentraleinheit) in Kontakt. Die Pumpe 2 fördert eine
Flüssigkeit
durch die Kühlplatte 1,
um die wärme
zu absorbieren. Die wärme
wird von dem Kühlkörper 3 in
die Umgebungsluft abgegeben. Die gekühlte Flüssigkeit fließt wieder
in die Kühlplatte 1 zurück, wodurch
ein Kreislauf gebildet ist, so dass die Wärme des Chips kontinuierlich
abgeführt
wird. Der Kühlkörper 3 kann
mit einem Kühlventilator
kombiniert werden, um die Wärme
durch den Luftstrom zwangsläufig
abzuführen.
Die Flüssigkeit
kann ein entionisiertes Reinwasser, Reinwasser mit Kühlmittel oder
andere Flüssigkeiten,
wie R134a, sein.
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Beim
herkömmlichen
Flüssigkeitskühler findet
eine Phasentransformation der Flüssigkeit
nicht statt. Die Flüssigkeit
bleibt flüssig.
Dadurch entsteht in der Kühlplatte
ein hoher Wärmewiderstand
und ein großer
Temperaturgradient, wodurch die Kühlwirkung begrenzt ist. Zudem
wird das Geräusch
des Kühlventilators
erhöht
und die Lebensdauer der Pumpe reduziert.
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Daher
zielt der Erfinder darauf ab, eine Kühlplatte mit Kapillarkanälen für Flüssigkeitskühler zu schaffen,
in der eine Phasentransformation der Flüssigkeit stattfindet, wobei
das Fließen
der Flüssigkeit in
den beiden Phasen durch die Kapillarkanäle verbessert wird, wodurch
die Kühlplatte
eine gleichmäßige Temperatur
hat. Aus diesem Grund hat der Erfinder in Anbetracht der Nachteile
herkömmlicher
Lösungen,
basierend auf langjähriger
Erfahrung in diesem Bereich, nach langem Studium, zahlreichen Versuchen
und unentwegten Verbesserungen die vorliegende Erfindung entwikkelt.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlplatte mit Kapillarkanälen für Flüssigkeitskühler zu
schaffen, die eine gleichmäßige Temperaturverteilung,
einen niedrigen Wärmewiderstand,
und eine hohe Fließstabilität des Arbeitsmediums
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Kühlplatte mit Kapillarkanälen für Flüssigkeitskühler gelöst, die
aus einem Oberdeckel und einer Bodenplatte besteht, wobei der Oberdeckel
eine Eintrittsöffnung,
durch die das Arbeitsmedium in die Kühlplatte eintreten kann, und
eine Austrittsöffnung, durch
die das Arbeitsmedium aus der Kühlplatte
austreten kann, aufweist, und wobei sich die Eintrittsöffnung in
der Fließrichtung
vergrößert und
die Austrittsöffnung
in der Fließrichtung
verkleinert. Die Bodenplatte weist im Bereich der Eintrittsöffnung eine
Flüssigkeitszone,
im Bereich der Austrittsöffnung
eine Dampfzone und zwischen der Flüssigkeitszone und der Dampfzone
eine Kapillarkanalzone auf. Die Flüssigkeitszone und die Dampfzone
sind jeweils durch eine Höhle
gebildet und in der Kapillarkanalzone sind Kapillarkanäle vorgesehen,
wobei der Verbindungsbereich der Flüssigkeitszone und der Kapillarzone eine
Düsenstruktur
und der Verbindungsbereich der Dampfzone und der Kapillarzone eine
Planarströmungsstruktur
bildet.
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Im
Vergleich mit der herkömmlichen
Lösung weist
die Erfindung folgende Vorteile auf:
- (1) da
sich die Eintrittsöffnung
in der Fließrichtung vergrößert und
die Austrittsöffnung
in der Fließrichtung
verkleinert, wird der Fließwiderstand
des Arbeitsmeidums reduziert;
- (2) da der Verbindungsbereich der Flüssigkeitszone und der Kapillarzone
eine Düsenstruktur
bildet, wird eine ungleichmäßige Verteilung
des Arbeitsmediums vermieden;
- (3) durch die Düsenstruktur
wird die Fließgeschwindigkeit
des Arbeitsmediums in der Kapillarkanalzone erhöht, wodurch ein Rückfluß des Arbeitsmediums
vermieden wird;
- (4) da die Kapillarkanalzone eine große Länge hat, die größer ist
als die des Chips, kann ein Rückfluß des Dampfs
vermieden werden, wodurch der Dampf durch die Kapillarwirkung schnell
in die Dampfzone eintritt und durch die Austrittsöffnung aus
der Kühlplatte
fließt,
so dass ein stabiler Dampffluß erreicht
wird;
- (5) die Temperaturerhöhung
des Arbeitsmediums ist begrenzt, wodurch der Wärmewiderstand reduziert wird,
so das die Temperatur des Chip gleichmäßig ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 eine
Darstellung der herkömmlichen Lösung,
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2 eine
Darstellung des Aufbaus der Erfindung,
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3A eine
perspektivische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
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3B eine
Draufsicht gemäß 3A
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3C eine
Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 3B,
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3D eine
Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in 3B,
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4A eine
perspektivische Darstellung der Bodenplatte in 3A,
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4B eine
Draufsicht gemäß 4A,
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4C eine
Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 4B,
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5A eine
perspektivische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
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5B eine
Draufsicht gemäß 5A,
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5C eine
Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 5B,
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5D eine
Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in 5B,
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6 eine
perspektivische Darstellung der Bodenplatte in 5A,
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7A eine
perspektivische Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
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7B eine
Draufsicht gemäß 7A,
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7C eine
Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 7B,
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7D eine
Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in 7B,
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8 eine
perspektivische Darstellung der Bodenplatte in 7A,
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9 eine
Darstellung der Erfindung beim Einsatz.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, besteht die erfindungsgemäße Kühlplatte 1 für Flüssigkeitskühler aus
einem Oberdeckel 11 und einer Bodenplatte 12. Der
Oberdeckel 11 weist an einer Seite eine Eintrittsöffnung 111,
durch die das Arbeitsmedium in die Kühlplatte 1 eintreten
kann, und an der anderen Seite eine Austrittsöffnung 112 auf, durch
die das Arbeitsmedium aus der Kühlplatte 1 austreten
kann. Die Eintrittsöffnung 111 vergrößert sich
in der Fließrichtung. Die
Austrittsöffnung 112 verkleinert
sich in der Fließrichtung.
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Der
Oberdeckel 11 und die Bodenplatte 12 können aus
Metall, wie Kupfer oder Aluminium, oder Nichtmetall, wie Silizium,
hergestellt werden. Das Arbeitsmedium kann Wasser, Aceton, Methanol,
Ammoniumhydroxid, Freon, wie R134a, usw sein.
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3A, 3B, 3C und 3D zeigen das
erste Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wobei die Bodenplatte 12 aus dem Halbleitermaterial
Silizium hergestellt ist. Der Oberdeckel 11 kann aus Slizium,
Quarz usw. hergestellt werden. Die Bodenplatte 12 und der
Oberdeckel 11 sind durch das Bonden miteinander verbunden.
Der Oberdeckel 11 kann durch das isotropische Naßätzen von
Silizium oder Quarz die Eintrittsöffnung 111 und die
Austrittsöffnung 112 bilden.
Die Eintrittsöffnung 111 und
die Austrittsöffnung 112 fluchten
mit der Stirnseite des Oberdeckels 11. Die Bodenplatte 12 weist
im Bereich der Eintrittsöffnung 111 eine
Flüssigkeitszone 121,
im Bereich der Austrittsöffnung 112 eine
Dampfzone 123 und zwischen der Flüssigkeitszone 121 und
der Dampfzone 123 eine Kapillarkanalzone 122.
Die Kapillarkanalzone 122 ist an einem Ende mit der Flüssigkeitszone 121 und
am anderen Ende mit der Dampfzone 123 verbunden. Die Flüssigkeitszone 121 und
die Dampfzone 123 sind jeweils durch eine Höhle gebildet.
In der Kapillarkanalzone sind Kapillarkanäle vorgesehen, wie es in 4 dargestellt ist. Der Verbindungsbereich
der Flüssigkeitszone
und der Kapillarzone bildet eine Düsenstruktur, da die Flüssigkeit
von einer Rohrleitung mit größerer Abmessung
in eine Rohrleitung mit kleinerer Abmessung fließt. Der Verbindungsbereich
der Dampfzone und der Kapillarzone bildet eine Planarströmungsstruktur.
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Wie
aus den 4A, 4B, 4C und 4D ersichtlich ist, kann die Bodenplatte 12 in 3A durch
das Trockenätzen
von Silizium (Mikroelektrotechnik) die Flüssigkeitszone 121,
die Kapillarkanalzone 122 und die Dampfzone 123 bilden.
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5A, 5B, 5C und 5D zeigen das
zweite Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wobei die Bodenplatte 12 aus Metall, wie
Kupfer oder Aluminium, hergestellt ist. Das Material des Oberdeckels 11 kann
gleich oder anders als das Material der Bodenplatte 12 sein.
Die Bodenplate 12 und der Oberdeckel 11 sind durch
Löten miteinander
verbunden. Wenn die Boldenplatte 12 und der Oberdeckel 11 aus einem
gleichem Metall hergestellt sind, kann das Hartlöten verwendet werden. Wenn
nicht, kann das Weichlöten
verwendet werden. In diesem Ausführungsbeispiel
liegen die Eintrittsöffnung 111 und
die Austrittsöffnung 112 höher als
die Stirnfläche
des Bodendeckels 111. Durch Maschienenbearbeiten (CNC),
Druckgießen
oder Metallspritzgießen
können die
Eintrittsöffnung 111 und
die Austrittsöffnung 112 sowie
die Flüssigkeitszone 121 und
die Dampfzone 123 geformt werden. Wie aus 6 ersichtlich
ist, können
die Kapillarkanäle 122 durch
die Rippen auf der Bodenplatte 12 gebildet sein.
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7A, 7B, 7C und 7D zeigen das
dritte Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wobei die Bodenplatte 12 aus Metall, wie
Kupfer oder Aluminium, und der Oberdeckel 11 aus Metall
oder Kunststoff hergestellt ist. Die Bodenplatte 12 und
der Oberdeckel sind mittels Schrauben 13 miteinander verbunden,
wobei zwischen der Bodenplatte 12 und dem Oberdeckel 11 ein
O-Ring 14 vorgesehen ist. In diesem Ausführungsbeispiel
liegen die Eintrittsöffnung 111 und
die Austrittsöffnung 112 höher als
die Stirnfläche
des Bodendeckels 111. Durch Kunststoffspritzgießen oder
Metallspritzgießen
können
die Eintrittsöffnung 111 und
die Austrittsöffnung 112 sowie die
Flüssigkeitszone 121,
die Dampfzone 123 und die Nut 113 für den O-Ring 14 geformt
werden. Wie aus 8 ersichtlich ist, können die
Kapillarkanäle 122 durch
die Rippen auf der Bodenplatte 12 gebildet sein. Die Löcher 124 der
Bodenplatte 12 für
die Schrauben 13 können
mit einer Bearbeitungsmaschine erzeugt werden.
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9 zeigt
den Einsatzzustand der Erfindung. Der Flüssigkeitskühler umfaßt einen Kühlkörper aus Kühlrippen, eine Pumpe und einen
Schlauch (nicht dargestellt). Die Kühlplatte 1 steht über ein Wärmeleitmaterial 5 mit
einem Chip 6 in Kontakt. Die Wärme des Chips 6 wird
von dem Wärmeleitmaterial 5 und
der unteren Oberfläche
der Bodenplatte 12 in die Kapillarkanalzone 122 geleitet.
Das Arbeitsmedium absorbiert die Wärme in der Kapillarkanalzone 122 und
wird somit verdampt. Durch die Pumpe (und die Kapillarwirkung) fließt das Arbeitsmedium
in der Pfeilrichtung, wodurch die Wärme der Bodenplatte 12 abgeführt wird.
Der Dampf kondensiert im Kühlkörper durch
die Wärmeabgabe
und fließt
in die Kühlplatte 1 zurück, so dass
ein Kreislauf gebildet ist. In 9 ist die
Kühlplatte 1 des
dritten Ausführungsbeispiels
gezeigt.
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Die
vorstehende Beschreibung stellt nur die bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung dar und soll nicht als Definition der Grenzen und
des Bereiches der Erfindung dienen. Alle gleichwertige Änderungen
und Modifikationen gehören
zum Schutzbereich dieser Erfindung.