DE3215396A1 - NICRO-MINIATURE COOLING DEVICE AND METHOD FOR THEIR PRODUCTION - Google Patents
NICRO-MINIATURE COOLING DEVICE AND METHOD FOR THEIR PRODUCTIONInfo
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Description
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Die Erfindung bezieht sich auf Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtungen zum Kühlen kleiner Gegenstände, beispielsweise elektrisch supraleitfähiger Vorrichtungen u.dgl.. Ferner bezieht sich die Erfindung auf Verfahren zur Herstellung solcher Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtungen.The invention relates to micro-miniature cooling devices for cooling small objects, such as electrically superconducting devices and the like .. Also relates the invention relates to methods of making such micro-miniature cooling devices.
Gewisse Materialien, sogenannte Supraleiter, haben die Eigenschaft elektrischen Strom ohne elektrischen Widerstand durchtreten zu lassen. Da die Supraleitfähigkeit nur bei Temperaturen besteht, die dicht am absoluten Nullpunkt liegt, ist es ein wesentliches Anliegen, verläßliche, kontinuierlich arbeitende Kühlvorrichtungen für solche supraleitenden elektrischen Vorrichtungen zu schaffen. Elektrisch supraleitfähige Vorrichtungen wie supererapfindliche Magnetometer, Voltmeter, Amperemeter, Spannungs-Standards, Stromkomparator usw. benötigen für ihren Betrieb eine cryogene Umgebung. Herkömmlicherweise wird diese durch ein Bad von flüssigem Helium erzeugt. Das Helium wird dabei irgendwo verflüssigt und zugeführt und in ein Dewar-Gefäß eingeführt. Die schwierige und komplexe Arbeitsweise, die hierdurch hervorgerufen wird, hat die Benutzung solcher Einrichtungen stark beschränkt. Viele der oben angeführten supraleitfähigen Vorrichtungen geben im Betrieb nur wenige Microwatt Wärmeenergie ab, während die bisher verfügbaren cryogenen Systeme eine Kühlkapazität in der Größenordnung von Watt aufweisen, so daß diese Vorrichtungen schlecht an ihreCertain materials, so-called superconductors, have the property of electrical current without electrical resistance to pass through. Since the superconductivity is only at If there is temperatures that are close to absolute zero, it is a major concern to be reliable, continuous to provide working cooling devices for such superconducting electrical devices. Electric superconductive devices such as super sensitive magnetometers, Voltmeters, ammeters, voltage standards, current comparators, etc. require a cryogenic to operate Surroundings. Conventionally, this is generated by a bath of liquid helium. The helium is liquefied somewhere and fed and inserted into a dewar. The difficult and complex way of working that this creates has severely restricted the use of such facilities. Many of the superconductive ones listed above Devices give off only a few microwatts of thermal energy when in operation, while the cryogenic Systems have a cooling capacity on the order of watts, so that these devices are poor at their
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Kühleinrichtungen angepaßt sind.Cooling devices are adapted.
Zusätzlich sind viele Vorrichtungen, wie optische Mikroskopstufen, Probenhalter für Röntgenstrahldiffraktion, Elektronenmikroskop-Kai tstuf en, Vorrichtungen für Cryochirurgie im Gehirn, für ECG-, MCG- und EKG-Messungen und Verstärker mit geringem Geräuschpegel erfordern Betriebstemperaturen, die unterhalb der Umgebungstemperatur liegen oder werden zumindest hiervon günstig beeinflußt.In addition, many devices, such as optical microscope stages, Sample holder for X-ray diffraction, electron microscope quay tstuf s, devices for cryosurgery in the brain, for ECG, MCG and EKG measurements and amplifiers with low noise levels require operating temperatures that are or will be below ambient temperature at least influenced favorably by this.
Zusätzlich gibt es eine Anzahl von Vorrichtungen, die mit hoher Geschwindigkeit oder hoher Energie arbeiten, wie VLSI-Platten (Very Large Scale Indecration) und -Transmitter, die Abmessungen in der Größenordnung eines Quadratzentimeters aufweisen und relativ große Verlustleistungsmengen abgeben, in der Größenordnung von 10 bis 50 Watt. Herkömmliche Kühlvorrichtungen wie Geblase für Konvektionskühlung sind nicht geeignet, solche Wärmemengen ohne merklichen Temperaturanstieg in der Umgebung zu verteilen.In addition, there are a number of devices that operate at high speed or high power, such as VLSI (Very Large Scale Indication) disks and transmitters, which have dimensions on the order of a square centimeter and relatively large amounts of power dissipation output, on the order of 10 to 50 watts. Conventional Cooling devices such as blowers for convection cooling are not suitable for such amounts of heat without noticeable To distribute temperature rise in the area.
£s sind bereits Miniatur-Kühlvorrichtungen mit geschlossenem Kühlkreis, beispielsweise solche auf der Grundlage eines Gifford-Mc-Mahon-Kreises, Vuilleumier-Kreises, Stirling-Kreises usw. entwickelt worden. Diese Kühlvorrichtungen mit Kühlkapazitäten im Bereich von 0,5 bis 10 Watt sind bequem handhabbar und kompakt. Aufgrund ihrer beweglichen£ s are already miniature cooling devices with closed Cooling circuit, for example those based on a Gifford-Mc-Mahon circle, Vuilleumier circle, Stirling circle etc. has been developed. These cooling devices are available with cooling capacities in the range of 0.5 to 10 watts convenient to use and compact. Because of their movable
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Teile führen sie aber einen große Menge von Vibration und magnetischem Geräusch ein, was den Betrieb der zu kühlenden Gegenstände stört. Es sind auch Miniatur-Kühlvorrichtungen mit Joule-Thomson-System entwickelt worden, die eine Kühlkapazität im typischen Fall zwischen 0,5 und 10 Watt aufweisen. Diese kompakten Systeme sind generell in Form von schraubenförmig mit Lamellen besetzten Rohren, die um einen Kern gewickelt sind. Das unter hohem Druck befindliche Gas strömt im Inneren dieser Rohre und strömt unter niedrigem Druck aus diesen Rohren aus. Solche schraubenförmig mit Lamellen besetzte und gewickelte Wärmetauscher werden durch schwieriges Zusammenschweißen oder Zusammenlöten der einzelnen Teile hergestellt. Wegen der Schwierigkeit solcher Vorrichtung konnten Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtungen mit Kapazitäten im Milliwattbereich bis jetzt nicht hergestellt werden.Parts, however, introduce a large amount of vibration and magnetic noise, which makes the operation of the cooler impossible Objects. Miniature Joule-Thomson system cooling devices have also been developed which have cooling capacity typically between 0.5 and 10 watts. These compact systems are generally in the form of helically lamellar tubes around a Core are wound. The gas under high pressure flows inside these tubes and flows under low pressure Pressure from these pipes. Such helically finned and wound heat exchangers are made by difficult welding or soldering together of the individual parts. Because of the difficulty of such Device could use micro-miniature coolers Capacities in the milliwatt range have not yet been established.
Es besteht Bedürfnis, bei vielen Vorrichtungen eine MikroMiniatur-Kühleinrichtung verfügbar zu haben, die etwa 1 bis 10 cm groß ist und eine Kühlkapazität im Milliwattbereich aufweist. Es besteht ferner Bedürfnis, für Herstellungsverfahren für solche Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtungen, die die herkömmlichen schwierigen Schweiß- und Lötarbeiten vermeiden und die Bildung sehr kleiner Gasleitungen zum Betrieb von Wärmetauschern in dem Regime der laminaren Strömung und mit noch gutem Warmeaustauschwirkungs-There is a need for a micro-miniature cooler in many devices available, which is about 1 to 10 cm in size and a cooling capacity in the milliwatt range having. There is also a need for manufacturing processes for such micro-miniature cooling devices that the conventional difficult welding and Avoid soldering and the formation of very small gas pipes for the operation of heat exchangers in the regime of the laminar flow and with still good heat exchange effect
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grad gestatten. Das konsequente Fehlen von 'Turbulenz im Gasstrom schließt Vibration und Geräusch aus, beides wichtige Überlegungen für die Anwendung bei supraleitfähigen Vorrichtungen. Die Miniaturabmessungen würden die Einbeziehung einer Einheit von cryogenem System und supraleitfähigen» Sensor als eine Hybridkomponente in elektronische Kreise ermöglichen. Die Mikro-Miniatur-Kühlkapazität würde die Anpassung des Kühlsystems an die zu kühlende Last ermöglichen. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Mikro-Miniatur-KühlVorrichtung zu schaffen, die diesen Anforderungen genügt.allow degree. The consistent lack of 'turbulence in the Gas flow eliminates vibration and noise, both important considerations for use in superconducting devices Devices. The miniature dimensions would be incorporating a unit of cryogenic system and superconducting »sensor as a hybrid component in electronic Enable circles. The micro-miniature cooling capacity would allow the cooling system to be adapted to the load to be cooled. The object of the invention is therefore to provide a micro-miniature cooling device that this Requirements are sufficient.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest zwei Elemente aus Glas oder dergleichen Material mit gleichem niedriger Wärmeleitfähigkeit und Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten unter Bildung mindestens einer druckdichten Berührungs-Zwischenflache zu einem steifen Laminat verbunden sind, wobei an dieser Zwischenfläche bzw. diesen Zwischenflächen eine Kühlkammer und mit dieser verbundene Strömungskanäle für ein Kühlmittel als Teile eines nach dem Prinzip der Druckentspannung arbeitenden Kühlkreises ausgebildet ist, un/ä zwar ein zur Kühlkammer führender Kühlmittel-Zuführungskanal, der mindestens einen in die Kühlkammer mündenden Kapi11arabschnitt zum teilweisen Entspannen des unter hohem Druck zugeführten Kühlmittels aufweist, und ein an die Kühlkammer angeschlossener Rückführungskanal für dasThis object is achieved according to the invention in that at least two elements made of glass or similar material with the same low thermal conductivity and temperature expansion coefficient with the formation of at least one pressure-tight contact interface are connected to form a rigid laminate, on this intermediate surface or these intermediate surfaces a cooling chamber and flow channels connected to this for a coolant as parts of a according to the principle of Pressure release working cooling circuit is formed, namely a coolant supply channel leading to the cooling chamber, the at least one capillary section opening into the cooling chamber for partial relaxation of the lower part Having high pressure supplied coolant, and a return channel connected to the cooling chamber for the
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Kühlmittel der in Art eines Wärmetauschers entlang zumindest eines Abschnittes des Kühlmittel-Zuführungskanals geführt ist.Coolant guided in the manner of a heat exchanger along at least a section of the coolant supply channel is.
Außer der Lösung der gestellten Aufgabe wird mit der Erfindung auch das Bedürfnis nach Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtungen gleicher genereller Dimensionierung wie oben angegeben befriedigt, die aber auch große Wärmemengen abziehen können, beispielsweise 10 bis 50 W, wie sie von gewissen kleinen Vorrichtungen abgegeben werden, wobei diese Vorrichtungen auf Umgebungstemperatur oder unterhalb der Umgebungstemperatur liegender Betriebstemperatur gehalten werden. Solche Kühlvorrichtungen können gemäß der Erfindung einfach hergestellt werden, und zwar in Ausbildung die sich mit derjenigen von elektronischen Geräten verträgt.In addition to solving the problem posed, the invention also addresses the need for micro-miniature cooling devices the same general dimensions as stated above, but which also draw off large amounts of heat can, for example, 10 to 50 W as required by certain small devices, these devices at or below ambient temperature Ambient temperature are kept at operating temperature. Such cooling devices can according to the invention can be easily produced, in training that is compatible with that of electronic devices.
Wie unten im einzelnen erläutert, enthält die erfindungsgemäße Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung in einmaliger Form und Große eine Mehrzahl von gegeneinander abgedichteten plattenartigen Elementen, die zwischen sich die Kühlkammer, einen Wärmetauscher, Kapillardurchlässe und Strömungsdurchlasse zum Führen des einströmenden und des ausströmenden Kühlmittels bilden. Die Rückführungs- bzw. Ausströmkanäle von der Kühlkammer werden dabei als Teil des Wärmetauschers in Gegenstrom zu den Kanälen für das einströmende Kühlmittel benutzt und dann nach außen geführt.As explained in detail below, the micro-miniature cooling device according to the invention contains in a unique form and Large a plurality of mutually sealed plate-like elements, which between them the cooling chamber, a heat exchanger, capillary passages and flow passages for guiding the inflowing and the outflowing Form coolant. The return or outflow channels from the cooling chamber are used as part of the heat exchanger used in countercurrent to the channels for the inflowing coolant and then led to the outside.
aiiii! .i aiiii! .i
DipL-Phys. Heinrich Seids. Patentanwalt · Bierstadter Höhe 15" Postfach 5105 · 6200 Wiesbaden 1 - Q? (06121) 562022Diploma Phys. Heinrich Seids. Patent attorney · Bierstadter Höhe 15 "Postfach 5105 · 6200 Wiesbaden 1 - Q? (061 21) 562022
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Die erfindungsgemäße Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung stellt eine Verkleinerung der herkömmlichen Kühlvorrichtungen um einen Faktor von etwa 1000 dar.The micro-miniature cooling device according to the invention represents a reduction in size of conventional cooling devices by a factor of about 1000.
Zusammenfassend ergibt sich, wenn d der Durchmesser des Wärmetauscherrohres, 1 die Länge des Wärmetauscherrohres und t die Kühlzeit sind in Vergleich zur Kapazität, die Proportional zu in, der strömenden Masse ist, wie folgt:In summary, if d is the diameter of the Heat exchanger tube, 1 the length of the heat exchanger tube and t the cooling time are in comparison to the capacity, the Proportional to in, the flowing mass is as follows:
0.5
(m)0.5
(m)
(m) °·6
Vf* (m) °'6 (m) ° 6
Vf * (m) ° ' 6
Eine mit turbulenter Strömung arbeitende Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung mit einer Kapazität von wenigen Milliwatt würde verlangen: d = 25 um und 1 einige Zentimeter. Je kleiner die Vorrichtungen werden, desto kleiner wird die strömende Masse, und zwar zu klein, daß noch turbulente Strömung des Kühlmittels eintreten könnte. Es wird dann laminare Strömung möglich, ohne Verlust an. Kühlwirkungsgrad und zugleich mit verbesserter Arbeitsweise.A micro-miniature cooling device that works with turbulent flow with a capacity of a few milliwatts would require: d = 25 µm and 1 a few centimeters. The smaller the devices, the smaller the flowing mass becomes, too small to be turbulent Flow of the coolant could occur. Laminar flow then becomes possible without any loss. Cooling efficiency and at the same time with an improved way of working.
Für erfindungsgemäße Mikro-Miniatur-Wärmeaustauscher, die im Bereich laminarer Strömung über das gleiche Druckregime arbeiten und gleichen Wirkungsgrad aufweisen, sollte die Austauscherlänge (1) proportional zum Quadrat des Durchmessers (d) des Austauscherkanals gemacht werden. Bei-For micro-miniature heat exchangers according to the invention that should work in the area of laminar flow over the same pressure regime and have the same efficiency, the Exchanger length (1) can be made proportional to the square of the diameter (d) of the exchanger channel. At-
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spielsweise ergibt ein Joule-Thomson Wärmetauscher, der mit N2 bei 120 bar arbeitet, mit einem 5 cm langen Kapillarkanal von 110 um Breite und 6 um Tiefe annähernd 25 mW Kühlleistung. Unterschiedliche Kühlkapazitäten können durch Variieren der Breite des Kanals ohne Änderung des Wirkungsgrades erzielt werden. Man kann so unter Strömungsbedingungen frei von Vibration und Turbulenzgeräusch arbeiten, ein Vorteil insbesondere für supraleitende Vorrichtungen, die einen sehr niedrigen Geräuschpegel erfordern.For example, a Joule-Thomson heat exchanger which works with N 2 at 120 bar, with a 5 cm long capillary channel 110 μm wide and 6 μm deep, results in a cooling capacity of approximately 25 mW. Different cooling capacities can be achieved by varying the width of the duct without changing the efficiency. It is thus possible to work under flow conditions free of vibration and turbulence noise, an advantage in particular for superconducting devices that require a very low noise level.
In einer Joule-Thomson Kühlvorrichtung dieser Art ist es normalerweise bequem einen Kapillarkanal zum Drosseln des komprimierten Gases zu benutzen. Es ist aber auch in der Technik bekannt, stattdessen poröses Material, beispielsweise poröses Metall, gesinterte Kermaik usw. zum Drosseln des Gases einzusetzen.In a Joule-Thomson cooler of this type it is usually convenient to use a capillary channel to throttle the compressed gas. But it is also in the Technique known, instead porous material, for example porous metal, sintered ceramic, etc. for throttling to use the gas.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Kühlvorrichtung für gewisse Anwendungsfälle sieht eine Ausführungsform der Erfindung zwei Kapillarabschnitte vor, die in Reihe oder parallel zueinander angeordnet sind und Durchlässe zum Abführen eines beträchtlichen Teiles des Gases direkt zu dem Ausströmdurchlaß des Wärmetauschers nach Durchströmen nur eines dieser Kapillarabschnitte.To increase the efficiency of the cooling device for certain applications, one embodiment of the Invention two capillary sections, which are arranged in series or parallel to each other and passages to Discharging a considerable part of the gas directly to the exhaust passage of the heat exchanger after flowing therethrough only one of these capillary sections.
Zum Aufbau von Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtungen werden neueFor the construction of micro-miniature cooling devices, new
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Techniken benötigt, um Wärmetauscher und Expansionsdüsen zu bilden, die um den Faktor 100 bis 1000 kleiner als die herkömmlichen Kühlvorrichtungen sind.Techniques needed to make heat exchangers and expansion nozzles to form, which are by a factor of 100 to 1000 smaller than the conventional cooling devices.
Herkömmliche Herstellungstechniken sind für diesen Zweck ungeeignet,weil Kanäle in der Größenordnung von 5 um bis 500 um mit Genauigkeit gebildet werden müssen und die Vorrichtung so abgedichtet werden muß, daß sie hohen Druck in der Größe von 10 bar bis 210 bar für die Erzielung des gewünschten Kühlwirkungsgrades widerstehen müssen.Conventional manufacturing techniques are unsuitable for this purpose because Channels on the order of 5 µm to 500 µm must be formed with accuracy and the device It must be sealed so that it has high pressure in the range of 10 bar to 210 bar for the achievement of the desired Must withstand cooling efficiency.
Dementsprechend ist es ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß eine neuartige Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung, insbesondere für cryogenes Kühlen, und eine günstige Herstellungsweise geschaffen werden.Accordingly, it is a particular advantage of the invention that a novel micro-miniature cooling device, in particular for cryogenic cooling, and a favorable manufacturing method can be created.
Dabei kann die neuartige Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung mit einer Kühlkapazität innerhalb eines Bereiches von Milliwatt bis hin zu etwa 50 W und mehr ausgelegt werden.The new micro-miniature cooling device can with a cooling capacity within a range of milliwatts up to about 50 W and more.
D"ie erfindungsgemäße Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung kann einen neuartigen Aufbau mit einer Vielzahl von Lagen erhalten. The micro-miniature cooling device according to the invention can received a novel structure with a large number of layers.
Die Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung kann in neuartiger Weise mit einer einzigen Stufe für cryogene Arbeitsweise aufge-The micro-miniature cooling device can be in a novel way with a single stage for cryogenic operation.
;!.:.f. 15396;!.:. f. 15396
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baut werden.to be built.
Es ist aber auch eine mehrstufige oder vielstufige Ausbildung der cryogenen Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung möglich.However, a multi-stage or multi-stage design of the cryogenic micro-miniature cooling device is also possible.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine neuartige Kühlvorrichtung mit kleinen Abmessungen geschaffen, die zwei oder mehr Platten eines Materials mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Glasplatten, aufweist, die in druckdichter Flächenbindung gehalten sind, und an einer oder mehreren Plattenzwischenflachen Gaszuführungskanäle und Rücklaufkanäle zu einer Kühlkammer in Mikron-Größenordnung enthält, wobei diese Vorrichtung dazu angepaßt ist, einen Supraleiter oder eine ähnliche Vorrichtung kontinuierlich zu kühlen. Hierzu ist die Vorrichtung geeignet Gas mit einem Druck in der Größe von IO bar bis 210 bar aufzunehmen, wobei die Durchlässe eine Breite in der Größe von 5 um bis 500 um und eine Tiefe von 5 um bis 60 um aufweisen.In a further embodiment of the invention, a novel cooling device with small dimensions is created, which has two or more plates of a material with low thermal conductivity, for example glass plates, which are held in a pressure-tight surface connection, and gas supply channels on one or more intermediate plate surfaces and return ducts to a micron-sized cooling chamber, the apparatus being adapted to do so is to continuously cool a superconductor or similar device. The device is suitable for this Gas with a pressure in the range of IO bar to 210 bar, the passages having a width in 5 µm to 500 µm in size and 5 µm to 60 µm in depth.
Ergänzend hierzu kann die Kühlkammer in Form einer Ausnehmung in einem Oberflächenbereich einer Platte gebildet sein, oder es können die Kanäle an der Zwischenfläche bzw. den Zwischenflächen durch aufgesetzte Wände gebildet werden.In addition to this, the cooling chamber can be formed in the form of a recess in a surface area of a plate be, or it can be the channels at the interface or the intermediate surfaces are formed by attached walls.
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Im Rahmen der Erfindung können zweilagige oder mehrlagige Kühlvorrichtungen für Kaskadenkühlung zur Erreichung niedriger cryogener Temperaturen gebildet werden.In the context of the invention, two-ply or multi-ply Cooling devices for cascade cooling to achieve lower cryogenic temperatures are formed.
Beispielsweise kann eine erfindungsgemäße Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung aus drei oder mehr ähnlichen Platten aus Glas oder äquivalentem Material in Form eines Stapels aufgebaut werden, wobei Strömungskanäle für Hochdruckeinlaß und Niederdruckauslaß und die damit verbundene Kühlkammer in Mikrongroßenordnung gebildet und in getrennten Lagen an Zwischenflächen zwischen den benachbarten Platten angeordnet sind. Dabei können Wärmetauscherkanäle und Kapillar expansionskanäle in Reihenanordnung auf der einen Oberfläche der Innenplatte und der Auslaßkanal auf der anderen Oberfläche der Innenplatte geformt werden.For example, a micro-miniature cooling device according to the invention constructed from three or more similar sheets of glass or equivalent material in the form of a stack be, with flow channels for high pressure inlet and low pressure outlet and the associated cooling chamber formed in the micron order and arranged in separate layers at interfaces between the adjacent plates are. Here, heat exchanger channels and capillary expansion channels can be arranged in a row on one surface the inner plate and the outlet channel are formed on the other surface of the inner plate.
Die neuartige Kühlvorrichtung kann mit einem sie an einem einen Ende umgebenden Halter versehen werden, mit dem sie freitragend im Innenraum eines evakuierten Gehäuses gehalten werden kann.The novel cooling device can be provided with a holder surrounding it at one end, with which it can be held self-supporting in the interior of an evacuated housing.
Gemäß der Erfindung werden somit eine Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung und Verfahren für ihre Herstellung geschaffen, mit denen es möglich ist, die Kühlvorrichtung in Abmessungen und Kühlkapazität für die jeweiligen Anwendungen anzupassen.According to the invention there is thus a micro-miniature cooling device and methods for their manufacture have been created with which it is possible to dimension the cooling device and adapt cooling capacity for the respective applications.
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Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung bietet vorzügliche Eignung für weite Bereiche von Laboratoriumsanwendungen u.dgl.. Sie erzeugt bequem sehr tiefe Temperaturen. Sie zeichnet sich durch wirtschaftliche Betriebsweise aus. Die Abmessungen der Vorrichtung sind klein und ihr Gewicht gering, so daß die Vorrichtung direkt an Instrumenten und Mikroskopstufen angebracht werden kann. Die geringen Abmessungen gestatten auch die Benutzung zum Kühlen sehr kleiner Vorrichtungen und ermöglichen Werkzeugen oder optischen Instrumenten ohne Störung mit direkt angesetzter Kühlvorrichtung zu arbeiten. Geringer Gasverbrauch der Vorrichtung ermöglicht tagelangen kontinuierlichen Einsatz mit Betrieb aus einem standardisierten unter Druck stehenden Gaszylinder. Die Temperatursteuerung ist einfach. Die Kühlvorrichtung ist einfach in ihrem Aufbau und läßt sich einfach und sicher erstellen und betreiben.The cooling device according to the invention offers excellent Suitable for a wide range of laboratory applications and the like. It comfortably generates very low temperatures. she is characterized by its economical operation. The dimensions of the device are small and its weight small, so that the device can be attached directly to instruments and microscope stages. The small dimensions also allow use for cooling very small devices and enable tools or optical instruments to work without interference with directly attached cooling device. Low gas consumption of the Device enables days of continuous use with operation from a standardized pressurized Gas cylinder. Temperature control is easy. The cooling device is simple in its construction and can create and operate easily and safely.
Die Erfindung betrifft auch neuartige Herstellungsverfahren für Mikro-Miniatur-Strömungskreise, insbesondere MikroMiniatur-Kühlvorrichtungen. Es werden hierzu Kanäle und ; 20 Vertiefungen entsprechend dem Muster eines gewünschten Strömungskreises in mindestens einer ebenen Hauptoberfläche einer Platte angebracht und dann mit einer anderen Platte abgedeckt, die mit einer ebenen Hauptoberfläche auf der mit Nuten und Vertiefungen versehenen Hauptoberfläche der ersten Platte druckdicht gebunden wird.The invention also relates to novel manufacturing methods for micro-miniature flow circuits, in particular micro-miniature cooling devices. For this purpose channels and; 20 wells according to the pattern of a desired one Flow circle attached in at least one major flat surface of a plate and then with another plate covered with a flat main surface on the with grooves and depressions provided main surface of the first plate is bonded pressure-tight.
Dlpl.-Phys. Heinridi Seid» · Patentanwalt. BIerstadter Höhe 15* Postfach 5105 . 6200 Wiesbaden 1 · 5? (06121) 562022Dlpl.-Phys. Heinridi Seid »· Patent attorney. BIerstadter Höhe 15 * P.O. Box 5105. 6200 Wiesbaden 1 · 5? (06121) 562022
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Bei Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtungen, insbesondere solchen für cryogenes Kühlen, wird man solche Platten mit möglichst gleichem Temperaturausdehnungskoeffizienten wählen. Die Kanäle und Vertiefungen kann man durch Ätzen in der Plattenoberfläche anbringen. Bevorzugt wird man aber eine Sandstrahltechnik mit feinen Teilchen anwenden, weil man hiermit eine wesentlich bessere Auflösung des Kanal- und Vertiefungsmusters erreicht, weil die Seitenkanten der Kanäle und Vertiefungen dadurch im wesentlichen rechtwinklig in die Plattenoberfläche eingeschnitten werden können und weil die Einschnittiefe durch die Anzahl der auszuführenden Sahdstrahlgänge sehr genau gesteuert werden kann. Um diese Sandstrahltechnik anzuwenden, wird man zunächst auf der mit den Nuten und Vertiefungen zu versehenden Oberfläche mit einem gegen diese Sandstrahlbehandlung widerstandsfähigem Material belegen. Man wird dann mittels lithographischen oder fotolithographischen Methoden das gewünschte Muster in dieser Auflageschicht festlegen und die Auflageschicht entsprechend diesem Muster im Bereich der herzustellenden Nuten und Vertiefungen entfernen.With micro-miniature cooling devices, especially those for cryogenic cooling, plates with the same temperature expansion coefficient as possible will be chosen. the Channels and depressions can be made in the plate surface by etching. But one is preferred Use sandblasting technique with fine particles, because you get a much better resolution of the channel and Recess pattern achieved because the side edges of the channels and recesses are thereby substantially rectangular can be cut into the panel surface and because the depth of cut depends on the number of Sahdstrahlwege can be controlled very precisely. To apply this sandblasting technique, one will first on the surface to be provided with the grooves and depressions with a sandblasting treatment against this use resistant material. One is then using lithographic or photolithographic methods that Define the desired pattern in this support layer and the support layer according to this pattern in the area of the Remove grooves and depressions to be made.
Eine besonders günstige Auflageschicht läßt sich beispielsweise in der folgenden Relation bilden: 7 Gramm Gelatine,A particularly favorable layer can be formed, for example, in the following ratio: 7 grams of gelatine,
3 1 Gramm Ammoniumbichromat und 50 cm heißes Wasser.3 1 gram of ammonium dichromate and 50 cm of hot water.
Die geeigneten Methoden und Materialien zum druckdichtenThe appropriate methods and materials for pressure-sealing
: Dipl.-Phys. Heinrich Seids ■ Patentanwalt · Bierstadter Γ-TöVe 15"· Postfa"* 5105 · 6200 Wiesbaden 1 ■ Sf (06121) 56 20: Dipl.-Phys. Heinrich Seids ■ Patent attorney · Bierstadter Γ-TöVe 15 "· Postfa" * 5105 · 6200 Wiesbaden 1 ■ Sf (06121) 56 20
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Zusammenbinden der Laminatplatten stehen in genügender Auswahl dem Fachmann zur Verfügung.A sufficient selection of binding the laminate panels is available to those skilled in the art.
Insgesamt ist das Herstellungsverfahren einfach und sicher. Es führt vor allem zu einer sehr genauen gut reproduzier baren Ausbildung der den Strömungskreislauf bildenden Kanäle und Kammern. Insbesondere auch der für hohen Wirkungsgrad von Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtungen wichtigen Kapillarkanäle und Wärmetauscherabschnitten.Overall, the manufacturing process is simple and safe. Above all, it leads to a very precise, well-reproducible training of the flow circuit forming Channels and chambers. In particular, the capillary channels that are important for the high efficiency of micro-miniature cooling devices and heat exchanger sections.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are described below explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 eine auseinandergezogene Darstellung einer Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung in einer Ausführungsforra der Erfindung;Fig. 1 is an exploded view of a micro-miniature cooling device in a Embodiment of the invention;
Fig. 2 eine generelle Draufsicht, die einen Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtungsteil Anordnung bzw.Figure 2 is a general plan view showing a micro-miniature cooler portion Arrangement or
Muster von Kuhlmitteldurchlassen entsprechend einer weiteren Ausführungsform zeigt; Fig. 3 eine generell perspektivische Darstellung, die einen Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtungsteil in einer weiteren Modifikation zeigt;Shows patterns of coolant passages according to a further embodiment; 3 is a generally perspective view showing a micro-miniature cooler portion shows in a further modification;
Fig. 4 eine Draufsicht eines Moduls für eine Mehrfach-Einheiten-Ausführung einer Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung; Figure 4 is a plan view of a module for a multiple unit implementation a micro-miniature cooling device;
vf „fe ;,.λ- :,.. -,■»;.; JiS&iffiifeÄiiM^^vf "fe;,. λ-:, .. -, ■»;.; JiS & iffiifeÄiiM ^^
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Fig. 5 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform einer Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung; 5 shows a section through another embodiment of a micro-miniature cooling device;
Fig. 6 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer aus einer Mehrzahl von Moduleinheiten aufgebauten Mikro-Miniatur-6 is a cross section through another embodiment of one of a plurality of Modular units constructed micro-miniature
Kühlvorrichtung;Cooling device;
Fig. 7aFigure 7a
bis 7e Schnitte, die Verfahrensschritte in der Herstellung einer Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung wiedergeben;to 7e sections, the procedural steps in the Reproduce manufacture of a micro-miniature cooling device;
Fig. 8aFigure 8a
bis 8d Schnitte, die Verfahrensschritte einer anderen HerstellungsiTiethode einer Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung wiedergeben; Fig. 9ato 8d cuts, the procedural steps of another Reproducing the manufacturing method of a micro-miniature cooling device; Figure 9a
bis 9c Schnitte, die Verfahrensschritte in einem
Herstellungsverfahren für eine Mikro-Miniatur -Kühlvorrichtung mit aufgesetzten Kanalwänden
wiedergeben;
Fig. 10athrough 9c sections which reproduce process steps in a manufacturing process for a micro-miniature cooling device with channel walls attached;
Figure 10a
bis iod Schnitte, die Verfahrensschritte in einerbis iod cuts, the process steps in one
anderen Herstellungsmethode für eine MikroMiniatur-Kühlvorrichtung wiedergeben;another manufacturing method for a micro-miniature cooler reproduce;
Fig. 11 einen Schnitt, der die Herstellung einer aus einer Mehrzahl von Moduleinheiten aufgebauten11 is a section showing the manufacture of a built up from a plurality of modular units
Ausführungsform zeigt;Embodiment shows;
' Dipl.-Phys. Heinrich Seids . Patentanwalt · Biers tad (er Höhe 15 · Postfach 5105 · 6200 Wiesbaden 1 ■ & (06121) 56 20'Dipl.-Phys. Heinrich Seids. Patent attorney Biers tad (er Höhe 15 Postfach 5105 6200 Wiesbaden 1 ■ & (06121) 56 20
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Fig. 12 eine Draufsicht, die eine Anwendung und Umgebung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung wiedergibt;Figure 12 is a top plan view showing an application and environment reproduces a cooling device according to the invention;
Fig. 13 eine schematische Draufsicht, die den Stromungskreis in der erfindungsgemäßen KühlvorrichtungFig. 13 is a schematic plan view showing the electrical circuit in the cooling device according to the invention
wiedergibt;
; Fig. 14 einen Schnitt, der den Laminataufbau derreproduces;
; Fig. 14 is a section showing the laminate construction of the
Kühlvorrichtung und die Mehrlagen-Strömungswege für das Kühlmittel zeigt; Fig. 15 eine teilweise abgebrochene Draufsicht einesFigure 9 shows cooling device and the multilayer flow paths for the coolant; Figure 15 is a top plan view, partially broken away, of a
Halters für eine Kühlvorrichtung, als Detail zu der Vorrichtung nach Figur 14;
Fig. 16 einen Schnitt im wesentlichen nach der Linie 16-16 der Figur 15;
Fig. 17, 18 und 19 Draufsichten auf drei (oberes, mittleres und unteres) Elemente, die den Laminataufbau
oder Sandwichaufbau einer Kühlvorrichtung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ergeben, in der verschiedene Strömungswege und Kammern für das KühlmittelHolder for a cooling device, as a detail of the device according to Figure 14; FIG. 16 shows a section essentially along the line 16-16 of FIG. 15;
17, 18 and 19 are plan views of three (upper, middle and lower) elements which make up the laminate or sandwich construction of a cooling device of a preferred embodiment of the invention, in which different flow paths and chambers for the coolant
vorgesehen sind;
Fig. 20 und 21 Schnitte im wesentlichen längs derare provided;
FIGS. 20 and 21 are sections essentially along the lines of FIG
' Linien 20-20 bzw. 21-21 in Figur 17;Lines 20-20 and 21-21, respectively, in Figure 17;
Fig. 22 einen Schnitt im wesentlichen längs der Linien 22-22 der Figur 18;Figure 22 is a section taken substantially along lines 22-22 of Figure 18;
Fig. 23 und 24 Schnitte im wesentlichen längs der23 and 24 sections substantially along the
Siiilfllliiiiiii^^Siiilfllliiiiiii ^^
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der Linien 23-23 bzw. 24-24 in Figur 19; Fig. 25 eine auseinandergezogene Wiedergabe einer Ausführ ungs form, in welcher die Strömungskanäle unterschiedlich gelegen sind; Fig. 26 eine auseinandergezogene Darstellung einer Ausführungsform, in der zwei Niederdruckströmungswege vorgesehen sind;lines 23-23 and 24-24, respectively, in Figure 19; Fig. 25 is an exploded view of an embodiment ungs form in which the flow channels are located differently; Figure 26 is an exploded view of an embodiment in which two low pressure flow paths are provided;
Fig. 27 einen Teilschnitt, der einen Strömungsweg erhöhter thermischer Leitfähigkeit am kalten Ende der Kühlvorrichtung wiedergibt;27 is a partial section showing a flow path of increased thermal conductivity at the cold Reproduces the end of the cooling device;
Fig. 28 eine auseinandergezogene Darstellung einer Mehrlagen-Kühlvorrichtung in einer weiteren Ausführungsform;28 shows an exploded view of a multilayer cooling device in a further one Embodiment;
Fig. 2 9 eine Draufsicht der in Figur 28 vorgesehenen Platte mit Niederdruck-Gasdurchlaß; Fig. 30 eine Draufsicht der in Figur 28 vorgesehenenFIG. 29 is a plan view of the plate provided in FIG. 28 with a low-pressure gas passage; FIG. 30 is a top view of that provided in FIG
Platte mit Hochdruck-Durchlässen; Fig. 31 eine Wiedergabe für den Laminataufbau zweier zu einer Einheit kombinierter Mehrlagen-Kühlvorrichtungen für Kaskaden-Kühlung;Plate with high pressure ports; Fig. 31 is a representation of the laminate construction of two to a unit of combined multilayer cooling devices for cascade cooling;
Fig. 32 einen Schnitt nach der Linie 32-32 der Figur 31; Fig. 33 eine auseinandergezogene Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und32 shows a section along the line 32-32 in FIG. 31; 33 is an exploded view of a further embodiment of the invention; and
Fig. 34 eine Draufsicht auf eine Komponente einer34 is a plan view of a component of a
weiteren Ausführungsform der Erfindung.further embodiment of the invention.
'< Dipl.-Phys. Heinrich Seids · Patentanwalt ■ Bieretadter Hishe 15*· Postfach 5105 ■ 620Q Wiesbaden 1 · ST (06121) 56 20 22 '< Dipl.-Phys. Heinrich Seids · Patent attorney ■ Bieretadter Hishe 15 * · Postfach 5105 ■ 620Q Wiesbaden 1 · ST (06121) 56 20 22
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In der in Figur 1 in perspektivischer auseinandergezogener· Darstellung wiedergegebenen Ausfuhrungsform einer MikroMiniatur-Kühlvorrichtung ist ein Kühlkörper 12 in abgedichteter Oberflächenberührung mit einem Träger 10 vorgesehen. der Kühlkörper 12 kann aus kristallinem Material (beispielsweise Silizium), amorphem Material (beispielsweise Glas) oder metallischem Material (beispielsweise Kupfer, Edelstahl) bestehen. Der Träger 10 besteht aus einem Material mit einem Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten, der verträglich ist mit dem Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers 12, beispielsweise aus Borosilicatglas (bekannt unter der Handelsbezeichnung "Pyrex"), Natronglas (Sodaglas) oder Kovar. Bevorzugt sind der Kühlkörper 12 und der Träger 10 sich gleichmäßig erstreckende dünne Glasplatten. In the embodiment of a micro-miniature cooling device shown in an exploded perspective view in FIG a heat sink 12 is provided in sealed surface contact with a carrier 10. the heat sink 12 can be made of crystalline material (e.g. silicon), amorphous material (e.g. Glass) or metallic material (e.g. copper, stainless steel). The carrier 10 consists of a material with a temperature expansion coefficient that is compatible with the temperature expansion coefficient of the heat sink 12, for example made of borosilicate glass (known under the trade name "Pyrex"), soda glass (Soda glass) or kovar. The heat sink 12 and the carrier 10 are preferably thin glass plates which extend uniformly.
Der Kühlkörper 12 und der Träger 10 müssen ausreichend dick und/oder fest genug sein, um dem Druck des eintretenden Gases zu widerstehen, im typischen Fall in der Größe zwischen 10 bar und 200 bar (150-3000 psi). Zum Beispiel KTann ein Silizium-Kühlkörper annähernd 300 um (0,0118") dick sein, ein Glas-Kühlkörper kann annähernd 25O um bis 510 um dick sein und ein Träger aus Glas etwa 250 um bis 51O um.The heat sink 12 and the carrier 10 must be sufficiently thick and / or strong enough to withstand the pressure of the entering To withstand the gas, typically on the order of between 10 bar and 200 bar (150-3000 psi). For example A silicon heat sink can be approximately 300 µm (0.0118 ") thick A glass heat sink can be approximately 250 µm to 510 µm thick and a substrate made of glass can be approximately 250 µm to 510 µm.
An derjenigen Oberfläche des Kühlkörpers 12, die auf dem Träger 10 getragen wird, sind parallele "serpentinenartige"On that surface of the heat sink 12 that is on the Carrier 10 is worn are parallel "serpentine"
. ν» ΐ_ ι υ. ν »ΐ_ ι υ
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Kanäle 14 und 16 gebildet oder eingeätzt, die 5 um bis 3OO um breit sind und durch 150 um bis 5OO um breite Wände 15 voneinander getrennt sind. Die Kanäle 14 und 16 verbinden einen Auslaß 18 (Niederdruck-Rücklauf) bzw. einen Einlaß 20 (Hochdruck-Einlaß) mit einem Reservoir oder einer Kühlkammer 24. Die Abmessungen des Reservoirs 24 sind bestimmt durch die gewünschte Reservekapazität, die für schwankende Anforderungen benötigt wird. Die oben genannten Kanäle und das Reservoir sind in der Bodenfläche 13 des Kühlkörpers 12 gebildet, die flachliegend auf die flache Oberseitenfläche 17 des Trägers gebunden ist, welche sie wirksam verschließt. Die durch die Unterseitenfläche 13 des Kühlkörpers 12 und die Oberseitenfläche 17 des Trägers 10 gebildete Zwischenfläche ist druckdicht gebunden.Channels 14 and 16 are formed or etched in which are 5 µm to 300 µm wide and through 150 µm to 500 µm wide walls 15 are separated from each other. The channels 14 and 16 connect an outlet 18 (low pressure return) and one, respectively Inlet 20 (high pressure inlet) with a reservoir or cooling chamber 24. The dimensions of the reservoir 24 are determined by the desired reserve capacity, which is required for fluctuating requirements. The above named channels and the reservoir are formed in the bottom surface 13 of the heat sink 12, which lie flat is bonded to the carrier's flat top surface 17 which effectively closes it. The through the underside face 13 of the heat sink 12 and the upper side surface 17 of the carrier 10 formed intermediate surface is pressure-tight bound.
Die Kanäle 14 und 16 bestimmen jeweils Niederdruck-Kühllinien und Hochdruck-Kühllinien, die über eine Ausgangslänge in Nachbarschaft verlaufen und dadurch einen Wärmetauscher-Abschnitt bei 22 bilden. Zwischen dem Einlaß und dem Wärmetauscherabschnitt ist ein feiner Kanalfilter-Abschnitt 21 vorgesehen. Hinter dem Wärmetauscher-Abschnitt 22 wird der Einlaßkanal 16 unabhängig schlangelnd und enger bei 26 am Träger 10, so daß das Kühlmittel im Druck abfallen und dann expandieren kann. Beispielsweise ist der Kanalabschnitt 22 etwa 250 um breit und 50 um tief, währendThe channels 14 and 16 each define low-pressure cooling lines and high-pressure cooling lines over an initial length run in the vicinity and thereby form a heat exchanger section at 22. Between the inlet and A fine duct filter section 21 is provided in the heat exchanger section. Behind the heat exchanger section 22, the inlet port 16 becomes independently serpentine and narrower at 26 on the carrier 10 so that the coolant will drop in pressure and then expand. For example, the channel section 22 is approximately 250 µm wide and 50 µm deep while
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der Kanal 26 etwa 125 um breit und 10 um tief ist. Das Ende der Expansionslinie 26 mündet direkt in das Reservoir 24, und der Ausgangskanal 14 erstreckt sich vom Reservoir 24 zurück durch den Wärmetauscher zu dem Auslaß 18. Das Reservoir 24 ist bevorzugt etwa 20 um bis 5O um tief.the channel 26 is approximately 125 µm wide and 10 µm deep. The end of the expansion line 26 opens directly into the reservoir 24, and exit channel 14 extends from reservoir 24 back through the heat exchanger to outlet 18. Das Reservoir 24 is preferably about 20 µm to 50 µm deep.
Auf der anderen oder unteren Flache des Trägers 10 ist eine Anschlußeinheit 30 aus geeigneter Metallegierung, beispielsweise Kovar, (einer Legierung aus Eisen, Nickel und Kobalt, deren Temperaturausdehnungskoeffizient etwa der gleiche ist wie derjenige des Materials des Trägers 10). Diese Anschlußeinheiten sind mit durchgehenden Löchern 32 und 34 versehen, die über ausgerichtete Bohrungen in dem Träger 10 mit den Anschlüssen 18 und 20 im Kühlkörper in Verbindung stehen. Mit dieser Anschlußeinheit 30 ist ein Paar von kleinen Röhrchen 36 und 38 verbunden, die das Kühlmittel der Kühlvorrichtung zuführen bzw. von ihr abführen. Diese Röhrchen 36 und 38 können aus Edelstahl, wie er für hypodermische Nadeln benutzt werden oder auch aus Polytetrafluoräthylen bestehen. Die Anschlußeinheit 30 ist mittels geeigqeter Dichtmasse, beispielsweise Epoxid-Dichtung an den Träger 10 angesetzt. Auf die Oberseite des Kühlkörpers 12 ist in direkter Anlage an die Wand der Reservoirs 24 ein zu kühlender Gegenstand 40 angesetzt. Der Gegenstand 40 kann eine aus einer großen Anzahl von Vorrichtungen sein, die bei tiefen Temperaturen zu betreiben sind (beispiels- _ w.eise superempfindliche Magnetometer, Gradiometer, BolometerOn the other or lower surface of the carrier 10 is a connection unit 30 made of a suitable metal alloy, for example Kovar (an alloy of iron, nickel and cobalt, the coefficient of thermal expansion of which is approximately the same as that of the material of the carrier 10). These connection units are provided with through holes 32 and 34 which are connected to the connections 18 and 20 in the heat sink via aligned bores in the carrier 10. With this connection unit 30, a pair of small tubes 36 and 38 are connected, which supply the coolant to the cooling device and remove it from it. These tubes 36 and 38 can be made of stainless steel, as used for hypodermic needles, or made of polytetrafluoroethylene. The connection unit 30 is attached to the carrier 10 by means of a suitable sealing compound, for example an epoxy seal. An object 40 to be cooled is attached to the top of the cooling body 12 in direct contact with the wall of the reservoir 24. The object 40 may be any of a large number of devices that are to operate at low temperatures (beispiels- w _. E ise super sensitive magnetometers, gradiometers, bolometer
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und dergleichen Vorrichtungen, die auf der Grundlage des Josephson-Effektes arbeiten oder andere bekannte Vorrichtungen). Es kommen auch Vorrichtungen zum Betrieb bei höheren Temperaturen in Betracht (beispielsweise Infrarot-Detektoren, festkörper-Laser oder Proben, deren physikalischen Eigenschaften bestimmt werden sollen). Die gesamte Vorrichtung kann in ein Dewar-Gefäß oder ein Vakuumgefäß eingesetzt sein, um die Wärmezufuhr zu den Teilen zu vermindern. and the like devices that operate on the basis of the Josephson effect or other known devices). Devices for operation at higher temperatures are also possible (e.g. infrared detectors, solid-state lasers or samples whose physical Properties are to be determined). The entire device can be placed in a dewar vessel or a vacuum vessel be used to reduce the heat input to the parts.
Die wiedergegebene Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung ist ein Joule-Thomson-Kühlsystem mit offenem Kreis, bei welchem das Röhrchen 38 über ein Steuerventil 39 mit einem Behälter 3 7 für hochkomprimiertes Kühlmittelgas, beispielsweise Stickstoff, Wasserstoff oder Helium, verbunden ist.The reproduced micro-miniature cooling device is a Joule-Thomson open circuit cooling system in which the tube 38 via a control valve 39 with a container 37 for highly compressed refrigerant gas, for example Nitrogen, hydrogen or helium.
Das hochkomprimierte Gas tritt in den Einlaß unter einem Druck von annähernd 10 bar bis 200 bar und in einer Strömungsmenge von annähernd 5 bis 50 ml/sec durch den Einlaß 20 und strömt durch den Wärmetauscher 22, wo dieses Gas 4,urch unter niedrigem Druck stehendes, stark gekühltes Gas gekühlt wird, das die Vorrichtung über den Kanal 14, den Auslaß 18 und das Röhrchen 36 verläßt. Das unter hohem Druck stehende Gas verläßt den Wärmetauscher 22 und tritt durch die Expansionskapillare 26, wo der Druckabfall die Temperatur des Gases herabsetzt, das als eine überkühlteThe highly compressed gas enters the inlet at a pressure of approximately 10 bar to 200 bar and in an amount of flow from approximately 5 to 50 ml / sec through inlet 20 and flows through heat exchanger 22 where this gas 4, by low pressure, highly refrigerated Gas is cooled which leaves the device via the channel 14, the outlet 18 and the tube 36. That under high Pressurized gas leaves the heat exchanger 22 and passes through the expansion capillary 26, where the pressure drop is the Lowers temperature of the gas that supercooled as one
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oder cryogene Flüssigkeit in das Reservoir 24 eintritt. Das Tieftemperaturreservoir 24 wiederum kühlt den Gegenstand 40, der auf dem Reservoir 24 angebracht ist. Die absorbierte Wärme veranlaßt die Flüssigkeit zum Verdampfen und sie fließt durch den Kanal 14 zum Auslaß 18.or cryogenic liquid enters reservoir 24. The low-temperature reservoir 24 in turn cools the object 40, which is mounted on the reservoir 24. The absorbed heat causes the liquid to evaporate and them flows through channel 14 to outlet 18.
Beispielsweise hat eine Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung, deren Kühlkörper eine 500 um dicke, 1,3 cm breite und 7,6 cm lange Glasplatte ist, eine Kühlkapazität von 100 mW bei 122 K. Die Kanaldimensionen sind dabei in der Größe von 100 um und die Strömungsmenge etwa 30 ml/sec (STP) Stickstoff bei einem Einlaßdruck von 110 bar (1600 psi). Der Träger ist eine Glasplatte gleicher Größe.For example, a micro-miniature cooler has a heat sink that is 500 µm thick, 1.3 cm wide, and 7.6 cm long glass plate, a cooling capacity of 100 mW at 122 K. The channel dimensions are in the size of 100 µm and the flow rate about 30 ml / sec (STP) nitrogen at an inlet pressure of 110 bar (1600 psi). The carrier is a glass plate of the same size.
In einem anderen Beispiel hat eine Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung, deren Kühlkörper aus Silizium Abmessungen von 75:12:2 mm aufweist, einen 30 cm langen Wärmetauscherabschnitt und arbeitet von Raumtemperatur auf 200°K unter Benutzung von CO2- Die Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung kann annähernd 1,3 bis 10 cm lang, 1,3 cm breit und 0,1 bis 0,2 cm dick sein mit typischen Kanalabmessungen zwischen 5 und 500 um sowie Trennwänden von 150 bis 500 um Breite. Diese Kühlvorrichtung kann eine Kühlkapazität zwischen 1,0 und 50000 mW bei Temperaturen zwischen 2 und 300°K aufweisen. Sie kann dabei Eingangsdrucke zwischen 10 bar und 200 bar aufnehmen. Es ist jedoch zu beachten, daß die beschriebeneIn another example, a micro-miniature cooling device, the heat sink of which is made of silicon and has dimensions of 75: 12: 2 mm, has a 30 cm long heat exchanger section and operates from room temperature to 200 ° K using CO 2 - the micro-miniature Cooling device can be approximately 1.3 to 10 cm long, 1.3 cm wide and 0.1 to 0.2 cm thick with typical channel dimensions between 5 and 500 µm and partitions 150 to 500 µm wide. This cooling device can have a cooling capacity between 1.0 and 50,000 mW at temperatures between 2 and 300 ° K. It can absorb inlet pressures between 10 bar and 200 bar. It should be noted, however, that the described
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Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung für gewisse Anwendungszwecke auch hinsichtlich Abmessungen und Kapazität vergrößert oder verkleinert werden kann.Micro-miniature cooling device for certain purposes can also be enlarged or reduced in terms of dimensions and capacity.
Zusätzlich zu einem oben beschriebenen offenen Kühlkreis ist zu beachten, daß die Kühlvorrichtung unter Benutzung eines Kompressors zum erneuten Verdichten des Gases als geschlossenes Kreissystem ausgebildet werden kann. Zusätzlich ist zu beachten, daß das hier beschriebene Herstellungsverfahren auch für den Aufbau von Kühlvorrichtungsteilen angewandt werden kann, bei denen andere Kreise, beispielsweise Servel-System, Gifford-McMahon-System, pulsierendes Rohrsystem und Vuilleumier-System vorgesehen sind.In addition to an open cooling circuit described above, it should be noted that the cooling device using a Compressor for recompressing the gas can be designed as a closed circle system. Additionally It should be noted that the manufacturing process described here is also used for the construction of cooling device parts in which other circles, for example Servel system, Gifford-McMahon system, pulsating pipe system and Vuilleumier system are provided.
In einigen der laminaren Strömungsvorrichtungen kann die Form der Kanäle in geradlinige Ausführung anstatt "Serpentinen"-Ausführung modifiziert werden, wie dies in Figur 2 gezeigt ist. Figur 2 zeigt die untere Fläche eines solchen Kühlkörpers. In dieser Ausführungsform tritt gasförmiges Kühlmittel am Einlaß 42 ein, fließt durch die parallelen Wärmetauscherkanäle 43 zu dem geschlängelten Kapillarkanal-Abschnitt 44, von dort zum Reservoir bzw. der Kühlkammer 45, durch den Unterdruckrücklauf 46 zum Auslaß 47. Ein Vorteil dieser Form besteht darin, daß der Niederdruckrücklauf 46, wie gezeigt, die Hochdruckkanallinien vollständig umgibt, so daß jeglicher kleiner Gasaustritt von einem Hochdruck-In some of the laminar flow devices, the shape of the channels may be in a straight line rather than a "serpentine" design can be modified as shown in FIG. Figure 2 shows the lower surface of one Heat sink. In this embodiment, gaseous coolant enters at inlet 42, flowing through the parallel ones Heat exchange channels 43 to the meandering capillary channel section 44, from there to the reservoir or the cooling chamber 45, through the negative pressure return 46 to the outlet 47. An advantage this shape consists in that the low pressure return 46, as shown, completely surrounds the high pressure channel lines, so that any small gas leakage from a high pressure
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kanal durch den Niederdruckrücklauf aufgefangen wird und nicht in das umgebende Vakuum entweicht, das die Kühlvorrichtung von der Umgebung isoliert. Ein möglicher Nachteil dieser Form ist der lange Weg für die Wärme,um am Wärmetauscher-Abschnitt zwischen den Eingangskanälen 43 und dem Ausgangskanal 46 durch das Glas zu wandern. Diese Schwierigkeit kann dadurch vermieden werden, daß der Kühlkörper aus Glas mit einem Träger 48 aus Glas kombiniert wird, wie er in Figur 3 gezeigt ist, auf den hochwärmeleitende sich quer erstreckende Metallstreifen oder Drähte 49 aufgedruckt bzw. aufgebunden sind. Diese Streifen können auf diejenige Fläche des Trägers aus Glas aufgebunden sein, die die Zwischenfläche mit dem Kühlkörper 41 bildet. Diese sich quer erstreckenden Wärmeleiterstücke 49 schaffen einen hochwärmeleitenden Weg seitlich über die Kühlvorrichtung, während die Wärmeleitfähigkeit in Längsrichtung der Kühlvorrichtung auf dem durch das Glas bestimmten niedrigen Wert bleibt.channel is caught by the low pressure return and does not escape into the surrounding vacuum, which the cooling device isolated from the environment. A possible disadvantage of this shape is the long way for the heat to get to the heat exchanger section to migrate through the glass between the input channels 43 and the output channel 46. This difficulty can be avoided in that the heat sink made of glass is combined with a carrier 48 made of glass, as it is shown in Figure 3 on which highly thermally conductive transversely extending metal strips or wires 49 are printed or are tied up. These strips can be attached to that surface of the glass support that the Forms an intermediate surface with the heat sink 41. These transversely extending heat conductor pieces 49 create a highly thermally conductive Away laterally over the cooling device, while the thermal conductivity in the longitudinal direction of the cooling device remains at the low value determined by the glass.
Die cryogene Mikro-Miniatur-Vorrichtung und Kühlvorrichtung brietet sich auch für Mehrfacheinheitenaqfbau an. Zum Beispiel kann eine Mehrzahl von Kühlvorrichtungen, von denen jede mit einem verschiedenen Kühlmittel betrieben wird, eine Kaskadenkühlung eines Gases durch ein anderes bilden und so eine Kühlung auf extrem niedrige Temperaturen schaffen. Es können zusätzliche Anschlüsse mit diese zusätzlichenThe cryogenic micro-miniature device and cooling device is also suitable for multi-unit construction. For example For example, a plurality of cooling devices each operated with a different coolant may be one Cascade cooling of one gas through another, creating cooling to extremely low temperatures. There can be additional connections with these additional
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Anschlüsse verbindenden Kanälen und zusätzlichen Reservoiren für weitere Kühlung einer cryogenen Vorrichtung einbezogen sein.Connections connecting channels and additional reservoirs for further cooling of a cryogenic device included be.
Figur 4 zeigt perspektivisch einen Kühlkörper aus Glas für ein Mehreinheitenmodul 51 einer Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung. FIG. 4 shows, in perspective, a heat sink made of glass for a multi-unit module 51 of a micro-miniature cooling device.
Es sind dort zwei Reservoir- oder Kühlmittelkammern 52 und 53 vorgesehen. Die Kammer 52 hat eine Einlaßleitung 54, die vom Einlaßanschluß 55 über einen geschlängelten Wärmetauscher-Abschnitt 56 und einen feinen Kapillarabschnitt 5 7 in die Kammer führt, und eine Auslaßleitung 58, die einen geschlängelten Wärmetauscher-Abschnitt 59 entlang des Abschnittes 56 hat und zum Auslaßanschluß 60 führt. Die Kammer 53 hat eine Einlaßleitung 61, die von dem Einlaßanschluß 62 durch einen geschlängelten Wärmetauscher-Abschnitt 63 und einen Kapillarabschnitt 64 in die Kammer führt und eine Auslaßleitung 65, die einen geschlängelten Wärmetauscher-Abschnitt 66 entlang des Abschnittes 6 3 hat und in den Auslaßanschluß 67 führt. Eine Quelle für unter hohem Druck stehenden Stickstoff ist mit dem Anschluß 55 verbunden und eine Quelle für unter hohem Druck stehenden Wasserstoff ist an den Anschluß 62 angesetzt. Die beiden Kreise sind so teilweise aufeinander wirksam, wodurch das zur Kammer 53 strömende Kühlmittel vor der Expansion stärker vorge-Two reservoir or coolant chambers 52 and 53 are provided there. The chamber 52 has an inlet conduit 54 which from inlet port 55 via a meandering heat exchanger section 56 and a fine capillary section 5 7 leads into the chamber, and an outlet conduit 58, which is a meandering Has heat exchanger section 59 along section 56 and leads to outlet connection 60. The chamber 53 has an inlet conduit 61 leading from the inlet port 62 through a tortuous heat exchanger section 63 and a capillary section 64 leads into the chamber; and an outlet conduit 65 which is a tortuous heat exchanger section 66 along the section 6 3 and leads into the outlet connection 67. A source of high pressure standing nitrogen is connected to port 55 and is a source of high pressure hydrogen is attached to connection 62. The two circles are thus partially effective on one another, which creates a chamber 53 flowing coolant before expansion
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kühlt wird. Der eine Kreis benutzt Joule-Thomson-Expansion von Stickstoff, um den Wasserstoff auf 77°K an der Kammer 52 zu kühlen. Der andere Kreis benutzt Joule-Thomson-Expansion des vorgekühlten Wasserstoffes, um an der Kanuner 53 21 K zu erreichen. Die gesamte Kühlvorrichtung umfaßt - wie gezeigt - zwei Wärmetauscher, zwei Expansionsabschnitte, zwei Kaltflüssigkeitsreservoire und die Einlaß- und Auslaßanschlüsse. Die Abmessungen der Vorrichtung ist annähernd 5 cm auf 13 cm. In ähnlicher Weise läßt ein dreistufiges System oder Benutzung von Stickstoff, Wasserstoff und Helium eine Kühlung bis 4,5 K erreichen.is cooled. One circle uses Joule-Thomson expansion of nitrogen to bring the hydrogen to 77 ° K at the chamber 52 to cool. The other circle uses Joule-Thomson expansion of the precooled hydrogen to make the Kanuner 53 21 K to reach. The entire cooling device comprises - as shown - two heat exchangers, two expansion sections, two cold fluid reservoirs and the inlet and outlet ports. The dimensions of the device are approximately 5 cm by 13 cm. Similarly, a three-stage leaves System or use of nitrogen, hydrogen and helium achieve a cooling of up to 4.5 K.
Figur 5 ist die Schnittdarstellung einer anderen Auführungsform für eine mehrlagige Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung, bei der die Eingangskanäle 73 und Ausgangskanäle 74 an irgendeiner Seite oder an beiden Seiten des Kühlkörpers 75 aus Glas gebildet sind und bei dem an irgendeiner Seite oder an beiden Seiten zwei Träger aus Glas oder Deckplatten 76 und 77 gebunden sind. Das unter hohem Druck stehende Kühlmittel fließt längs der Kanäle 73 und läuft durch die Kanäle zurück. Die Kanäle 73 und 74 können geätzt oder in anderer Weise in den Oberflächen des Kühlkörpers 75 gebildet sein, wie dies in vollen Linien ausgezeichnet ist. Sie können aber auch in den Oberflächen einer oder beider Deckplatten 76 und 77 aus Glas eingeätzt oder in anderer Weise gebildet sein, wie dies bei 73' und 74' gestrichelt dargestellt ist.Figure 5 is a sectional view of another embodiment for a multi-layer micro-miniature cooling device, in which the input channels 73 and output channels 74 at either side or on both sides of the heat sink 75 are formed from glass and in which on either side or two supports made of glass or cover plates 76 and 77 are bound on both sides. The refrigerant under high pressure flows along channels 73 and returns through the channels. The channels 73 and 74 can be etched or otherwise Way be formed in the surfaces of the heat sink 75, as indicated in full lines. But you can also etched or otherwise formed in the surfaces of one or both cover plates 76 and 77 made of glass be, as shown in dashed lines at 73 'and 74'.
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Die Kanäle 73 und 74 können auch durch aufgesetzte Kanalwände auf dem Kühlkörper 75 oder auf den Trägern 76 und 77 gebildet sein. In jedem Fall bestehen die Kanäle 73 und 74 aus Einlaßabschnitten, Wärmetauscherabschnitten, Kapillar abschnitten und Kühlkammern, die jeweils ausgebildet und angeordnet sein können, wie dies in den Figuren 1 bis 4 gezeigt ist. Der Unterschied zwischen der Vorrichtung nach Figur 5 und derjenigen nach Figur 1 besteht darin, daß gemäß Figur 1 der Eingangskanal und der Ausgangskanal in einer einzigen Lage gebildet sein können, d.h. in der gleichen oder einer anliegenden ebenen Fläche, während gemäß Figur 5 sie in nicht aufeinanderliegenden Flächen gebildet sind'. Es ist zu erwägen, daß gemäß Figur 1 die Eingangskanäle und Ausgangskanäle in den gegenüberliegenden Flächen 13 bzw. 17 gebildet werden können.The channels 73 and 74 can also be formed through attached channel walls on the heat sink 75 or on the carriers 76 and 77 be educated. In any case, the channels 73 and 74 consist of inlet sections, heat exchanger sections, capillary sections and cooling chambers, which can each be designed and arranged as shown in FIGS. 1 to 4 is shown. The difference between the device of Figure 5 and that of Figure 1 is that according to Figure 1, the input channel and the output channel can be formed in a single layer, i.e. in the same or an adjacent flat surface, while according to Figure 5 they in non-superimposed surfaces are formed '. It should be considered that according to Figure 1, the input channels and output channels in the opposite Areas 13 and 17 can be formed.
Figur 6 ist ein Schnitt durch eine andere Ausführungsform einer aus Moduleinheiten aufgebauten Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung . Die Kanäle 80, 81, 82 und 83 sind in den Oberflächen von dünnen Kühlkörpern 84, 85, 86, 87 und 88 aus Glas durch Ätzen, Sandstrahlen oder durch Bilden aufgesetzter Kanalwände gebildet. Zum Beispiel tritt Stickstoff unter hohem Druck in den Kanal 80 ein und strömt über den Niederdruckkanal 81 zurück, während Wasserstoff unter hohem Druck in den Kanal 82 eintritt und durch Stickstoff im Kanal 81 gekühlt wird. Der Wasserstoff tritt unterFIG. 6 is a section through another embodiment of a micro-miniature cooling device constructed from modular units . The channels 80, 81, 82 and 83 are in the surfaces of thin heat sinks 84, 85, 86, 87 and 88 formed from glass by etching, sandblasting or by forming attached channel walls. For example, nitrogen occurs under high pressure in the channel 80 and flows back via the low pressure channel 81, while hydrogen under high pressure enters the channel 82 and is cooled by nitrogen in the channel 81. The hydrogen comes under
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geringem Druck aus dem Kanal 83 aus. Die Einlasse, Wärmetauscherabschnitte, Expansionsleitungen und Reservoire sind in die jeweiligen Kanäle einbezogen, wie dies bei den obigen Ausführungsformen erläutert ist.low pressure from channel 83. The inlets, heat exchanger sections, Expansion lines and reservoirs are included in the respective channels, as with the above Embodiments is explained.
Herstellungsverfahren:Production method:
Die Figuren 7a bis 7e illustrieren ein Herstellungsverfahren für die Kühlvorrichtung durch Ätzen von Kanälen in Glas-oder Siliziumplatten. Die zu beschreibenden technischen Maßnahmen sind im gewissen Umfang bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen bekannt, beispielsweise integrierten Kreisen, und können die Benutzung herkömmlicher Photoresist-Masken und Ätztechniken einschließen. In einem Fall kann bei Benutzung eines Siliziumplatten-Materials mit einer Oberflächen-Kristallorientierung in der (1,0,0) Ebene anisotropes Ätzen benutzt werden, um V-förmige Nuten in die Oberfläche der Siliziumplatte zu ätzen. Alternativ können vertikale Wände unter Benutzung einer Siliziumplatte mit einer Oberflächenorientierung der (1,1,0) Ebene erstellt werden. In Figur 7a ist ein Teil einer Siliziumplatte 91O im Querschnitt gezeigt, die auf einer Hauptoberfläche mit einer Siliziumoxidschicht 91 versehen ist. Die Platte ist etwa 300 um dick und die Oxidschicht 91 annähernd 9000 A (0,9 um). Die Oxidschicht kann durch Erhitzen der Siliziumplatte in einer nassen Sauerstoffatmosphäre erzeugt werden. Ein Photoresist 92 ist auf die OberflächeFIGS. 7a to 7e illustrate a manufacturing method for the cooling device by etching channels in glass or silicon plates. The technical measures to be described are known to some extent in the manufacture of semiconductor devices, such as integrated circuits, and may include the use of conventional photoresist masks and etching techniques. In one case, using a silicon plate material having a surface crystal orientation in the (1,0,0) plane, anisotropic etching can be used to etch V-shaped grooves in the surface of the silicon plate. Alternatively, vertical walls can be created using a silicon plate with a surface orientation of the (1,1,0) plane. In Figure 7a a part of a silicon plate 9 1 O is shown in cross-section, which is provided on a main surface with a silicon oxide layer 91st The plate is about 300 µm thick and the oxide layer 91 is approximately 9000 Å (0.9 µm). The oxide layer can be produced by heating the silicon plate in a wet oxygen atmosphere. A photoresist 92 is on the surface
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des Siliziumoxids 91 gelegt und wird unter einer Photomaske mit dem gewünschten Kanalmuster belichtet. Der Photoresist wird entfernt und das freigelegte Oxid wird geätzt, wobei es in dem Muster 93, wie in Figur 7b gezeigt, verbleibt. Das Siliziumoxid wirkt jetzt als eine Maske und das freigelegte Silizium wird unter Benutzung eines anisotropen Ätzmittels, beispielsweise Äthylendiamin, geätzt, wodurch sich V-Nuten 94, wie in Figur 7 gezeigt, ergeben. Nach dem vollständigen Ätzen der V-Nuten wird die verbliebene Oxidschicht 93 von der Siliziumplatte entfernt und die Platte gereinigt. Eine flache Borrosilicatplatte oder äquivalente Glasplatte 95 wird dann auf die geätzte Oberfläche der Siliziumplatte 90 gebunden, wie dies in Figur 7D gezeigt ist. Das Binden des Glases auf die Siliziumoberfläche wird unter Benutzung bekannter feldunterstützter oder anodischer Bindetechniken vorgenommen. Danach wird - wie in Figur 7e gezeigt - die Siliziumplatte 90 geätzt oder in anderer Weise an der Rückseite abgetragen, um die Dicke der Gesamtheit der beiden Platten und damit die thermische Leitfähigkeit des laminierten Kühlvorrichtungsaufbaus zu verbessern.of silicon oxide 91 and is exposed under a photomask with the desired channel pattern. Of the Photoresist is removed and the exposed oxide is etched, forming it in pattern 93 as shown in Figure 7b. remains. The silicon oxide now acts as a mask and the exposed silicon is made using an anisotropic one Etchant, for example ethylene diamine, etched, resulting in V-grooves 94, as shown in Figure 7, result. After the V-grooves have been completely etched, the remaining oxide layer 93 is removed from the silicon plate and the Plate cleaned. A flat sheet of borrosilicate or equivalent glass plate 95 is then placed on the etched surface of silicon plate 90, as shown in Figure 7D. The bonding of the glass to the silicon surface is done using known field assisted or anodic bonding techniques. After that, will - As shown in Figure 7e - the silicon plate 90 is etched or removed in some other way on the rear side in order to achieve the Thickness of the entirety of the two plates and hence the thermal conductivity of the laminated cooler structure to improve.
Es werden dann Einlaßleitungen und Auslaßleitungen in die Gegenseite des Trägers 95 aus Glas gebohrt oder geätzt, und die rohrförmigen Gasleitungen werden dann an die Rückseite der Glasplatte mittels Epoxidharz gebunden.There are then inlet lines and outlet lines in the Opposite side of the glass support 95 is drilled or etched, and the tubular gas lines are then attached to the rear side bonded to the glass plate by means of epoxy resin.
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Durch Benutzung photolithographischer Festlegung und chemischem Ätzen kann die gesamte Kühlvorrichtung einschließlich Wärmetauscher, Expansionsleitung und Flüssigkeitsreservoir in einem Schritt gebildet werden. Ebenso wie chemischen Atzen können auch Elektronenstrahl- oder Röntgenstrahl-Lithographie und elektrolytisches und Plasma-Ätzen benutzt werden. Die obige Photoresist-Methode kann benutzt werden, wo der Kühlkörper und der Träger Glasplatten sind unter Benutzung herkömmlicher Materialien und Techniken.Using photolithographic pinning and chemical etching, the entire cooling device, including Heat exchanger, expansion line and liquid reservoir can be formed in one step. as well like chemical etching, electron beam or X-ray lithography and electrolytic and plasma etching can also be used to be used. The above photoresist method can be used wherever the heat sink and carrier are glass panels are using conventional materials and techniques.
Die Figuren 8a bis 8d illustrieren ein anderes Verfahren zum Herstellen eingeschnittener Kanäle in ein hartes, amorphes isotropes Material wie Glas oder kristallines Material wie Silizium. Das Verfahren gestattet gute Abmessungskontrolle, verbesserte Auflösung im Vergleich zum chemischen Ätzen, schließt Unterschneidungen aus und gestattet die Ausbildung vertikaler Wände. Dieses Verfahren ist nicht auf die Herstellung von Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtungen beschränkt. In Figur 8a ist ein Teil einer glasplatte 100 mit einer Dicke von etwa O,5 mm im Querschnitt gezeigt, auf deren einen Hauptoberfläche eine Resistlage 101 vorgesehen ist. Der Zweck dieser Resistlage ist es, die darunterliegende Oberfläche zu schützen und ein Muster für die Kanalanordnung zu schaffen. Der Resist kann ein photoempfindlicher oder ein nicht photo-Figures 8a to 8d illustrate another method of making incised canals in a hard, amorphous isotropic material like glass or crystalline material like silicon. The method allows good dimensional control, improved resolution compared to chemical etching, eliminates undercuts and allows the formation of vertical walls. This process is not limited to the manufacture of micro-miniature cooling devices limited. In Figure 8a is a part of a glass plate 100 with a thickness of about 0.5 mm in cross section shown, on one main surface of which a resist layer 101 is provided. The purpose of this resist layer is to protect the underlying surface and create a pattern for the duct placement. Of the Resist can be a photosensitive or non-photosensitive
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empfindlicher Resist sein. Aber er muß genügend elastisch oder zäh sein, um einem "Sandstrahlen" mit feinen Teilchen - wie unten erläutert - zu widerstehen. Der Resist kann die Oberfläche der gesamten Platte bedecken oder er kann in einem gewünschten Muster durch Siebdruck auf der Platte angebracht sein. Wenn der Resist ein Photoresist ist, wird er durch eine herkömmliche Photomaske mit Ultraviolettlicht belichtet, um ein Muster festzulegen. Ein neuartiger Photoresist, der der Anforderung genügt, daß er ausreichend widerstandsfähig gegen "Sandstrahlen" mit feinen Teilchen ist, setzt sich zusammen aus: 7 Gramm Gelatine (beispielsweise Knox) und 1 Gramm Ammoniumbichromat gelöst in 50 ecm heißem Wasser. Der Resist bildet eine dicke, schwammige Lage mit etwa zwanzigfacher bis dreißigfacher Dicke eines herkömmlichen Resists. Die nicht belichteten Teile des Resists können mit heißem Wasser entfernt werden oder durch Benutzung des Enzyms Protease, um den nicht belichteten Teil zu digerieren, wodurch sich ein in Figur 8b gezeigter Aufbau ergibt. Der verbleibende Resist 102 ist fest und elastisch, geeignet, der Abriebwirkung von feinen Teilchen beim "Sandstrahlen" zu widerstehen, während die freigelegten Flächenbereiche der Glasplatten-Oberfläche abgerieben werden können. Eine Miniatur-Luft-Abreibevorrichtung, die einen Strahl von feinen Äluminiumoxidteilchen mit etwa 5,5 bar (80 psi) entwickelt, wirkt als eine Sandstrahleinrichtung mit feinen Teilchen. Die "Sandstrahl"-be more sensitive resist. But it must be elastic enough or tough to withstand fine particle "sandblasting" as discussed below. The resist can do the Cover surface of the entire plate or it can be screen printed on the plate in a desired pattern to be appropriate. When the resist is a photoresist, it is passed through a conventional photomask with ultraviolet light exposed to establish a pattern. A novel photoresist which satisfies the requirement that it is sufficient resistant to "sandblasting" with fine particles is composed of: 7 grams of gelatine (e.g. Knox) and 1 gram of ammonium dichromate dissolved in 50 ecm hot water. The resist forms a thick, spongy layer about twenty to thirty times the thickness of one conventional resists. The unexposed parts of the resist can be removed with hot water or by using the enzyme protease to digest the unexposed part, resulting in a in Figure 8b shown structure results. The remaining resist 102 is strong and elastic, suitable for the abrasive action of fine Particles resist during "sandblasting" while the exposed areas of the glass plate surface can be rubbed off. A miniature air abrasion device that emits a jet of fine particles of alumina Developed at about 5.5 bar (80 psi) acts as a fine particle sandblasting device. The "sandblast" -
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Vorrichtung wird in konstantem Vorschub über die den Resist tragende Plattenfäche gemäß Figur 8b geführt, wobei ein Strahl von Reibteilchenpulver mit etwa 17 um Teilchengröße benutzt werden kann, um annähernd 2 um Material bei jedem Durchgang abzutragen. Größere Pulverteilchen (beispielsweise 27 um und 50 um) tragen schneller ab, aber sie geben eine schlechtere Auflösung und Definition des Kanalmusters. Sie können benutzt werden.für die Herstellung größerer Vorrichtungen mit entsprechender Genauigkeit.The device is guided in a constant advance over the plate surface carrying the resist according to FIG. 8b, with a jet of abrasive powder with a particle size of about 17 µm can be used to add approximately 2 µm of material to be removed from each pass. Larger powder particles (for example 27 µm and 50 µm) wear faster, but give poorer resolution and definition of the Channel pattern. They can be used for making larger devices with corresponding accuracy.
Die Kanäle 103, die durch dieses Teilchen-Strahlverfahren, wie in Figur 8c; gebildet werden, haben eine genau kontrollierte Tiefe (2 um bis 300 um), vertikale Wände und Kantendefinition von annähernd 5 um Rauhigkeit. Nach vollständiger Ausbildung der eingeschnittenen Kanäle wird der verbliebene Photoresist entfernt und die Platte loo gereinigt. Das Gesamtsystem von Kühlkammer und Durchlässen der Kühlvorrichtung kann so in einem Schritt hergestellt werden.The channels 103, which by this particle beam method, as in Figure 8c; have a precisely controlled depth (2 µm to 300 µm), vertical walls and Edge definition of approximately 5 µm roughness. After full Forming the incised channels, the remaining photoresist is removed and the plate loo cleaned. The entire system of cooling chamber and passages of the cooling device can thus be produced in one step will.
Wie in Figur 8d gezeigt, wird ein Träger 104, beispielsweise eine Sodaglas-Deckplatte, auf die geätzte Oberfläche der Glasplatte 100 gebunden und zwar mit einer Klebstoffschicht die weniger als 10 um dich, aber geeignet ist, etwa 35 barAs shown in Figure 8d, a carrier 104, such as a soda glass cover plate, is on the etched surface of the Glass plate 100 bonded with a layer of adhesive that is less than 10 µm, but suitable for about 35 bar
bis 207 bar (500-3000 psi) zu widerstehen. Dies ist die gleiche Bindungsweise wie sie in allen Ausführungsformenwithstand up to 207 bar (500-3000 psi). This is the same way of binding as it is in all embodiments
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zum Befestigen zweier oder mehrerer Glasplatten aneinander zur Bildung einer permanenten, druckfesten Einheit benutzt
werden. Eine solche Bindung kann auch mit Epoxidharz oder
ultraviolett-härtbarem Zement hergestellt werden. Eine
Dichtung mit Dicke im Mikron-Bereich kann durch Einziehencan be used to fasten two or more glass plates together to form a permanent, pressure-resistant unit. Such a bond can also be made with epoxy resin or
ultraviolet-curable cement. One
Gasket with a thickness in the micron range can be obtained by pulling in
von verdünntem Klebstoff in den Abstand zwischen der Platte 100 und dem Träger 104 durch Kapillarwirkung erzeugt werden.
Die Kühlvorrichtung wird dann mit intensiver Ultraviolettstrahlung belichtet, bis der Kleber polymerisiert und die
Bindung ausbildet.of diluted adhesive into the space between the plate 100 and the carrier 104 by capillary action. The cooling device is then exposed to intense ultraviolet radiation until the adhesive polymerizes and the
Bond trains.
Alternativ kann die Deckplatte oder der Träger auf die
geätzte Heizkörperplatte mittels eines durch Siebdruck auf eine oder beide Platten aufgebrachten dünnen Filmes von
Glaslötmittel geschweißt werden, wobei für die Herstellung von Flüssigkeits-Kristalldisplays herkömmliche Verfahren
anzuwenden sind. Die Einlaßleitungen und Auslaßleitungen
werden in die Rückseite des Trägers 104 aus Glas eingebohrt oder geätzt und hypodermische Röhrchen aus Edelstahl
oder Polytetrafluorathylen werden als Gasleitungen dannAlternatively, the cover plate or the carrier on the
etched radiator plate by means of a thin film of
Glass solder can be welded using conventional methods for the manufacture of liquid crystal displays
are to be applied. The inlet lines and outlet lines
are drilled or etched into the back of the glass support 104 and hypodermic tubes made of stainless steel or polytetrafluoroethylene are then used as gas lines
an die Rückseite der Glasplatte 104 mittels Epoxidharz gebunden. Bei Benutzung der Sandstrahltechnik mit feinen
Teilchen kann ein hartes amorphes isotropes Material, beispielsweise Glas, für die Kühlkörperplatte 100 der Kühlvorrichtung
benutzt werden. Die Benutzung solchen Materials ,vermeidet die sich mit der hohen Wärmeleitfähigkeit vonbonded to the back of the glass plate 104 by means of epoxy resin. When using the sandblasting technique with fine
Particulate matter, a hard amorphous isotropic material such as glass can be used for the heat sink plate 100 of the cooling device. The use of such material avoids dealing with the high thermal conductivity of
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' Dipl.-Phys. Heinrich Seide . Patentanwalt · Bierstadtor WSKe 15*· Postfcicn 5105 . 6200"Wiesbaden 1 · ®" (06121) 56 2022'Dipl.-Phys. Heinrich Silk. Patent attorney Bierstadtor WSKe 15 * Postfcicn 5105. 6200 "Wiesbaden 1 · ®" (06121) 56 2022
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Silizium ergebenden Probleme, so daß niedrigere Temperaturen am Kühlkammerende der Kühlvorrichtung erreichbar sind.Silicon resulting problems, so that lower temperatures at the cooling chamber end of the cooling device can be achieved are.
Die Figuren 9a bis 9c geben ein Herstellungsverfahren für eine Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung durch Bilden aufgesetzter Kanalwände auf eine Oberfläche im Unterschied zum Einschneiden der Kanäle in eine Oberfläche wieder. Die Platte 110, auf deren ebenen Oberfläche 111 Kanäle zu bilden sind, kann aus kristallinem , amorphem oder metallischem Material bestehen. Material 112, beispielsweise Glassinterpulver, Epoxidharz, Glaslot, durch Ultraviolettstrahlung härtbarer Zement usw. wird in gewünschtem Muster durch Siebdruck auf die Oberfläche 111 aufgebracht, wie es in Figur 9b gezeigt ist. Durch Erhitzen schmilzt das Glassinterpulver und bildet die Kanalwände. In entsprechender Weise härtet das Epoxidharz bzw. das Glaslot, oder der durch Ultraviolettstrahlung härtbarer Zement wird Ultraviolettstrahlung ausgesetzt, um die Kanalwände zu formen. Zur Bildung der Kanäle werden Abstände in der Größe zwischen 5, um und 300 um vorgesehen. Figur 9b zeigt eine Trägerplatte 113 aus Glas, die in einer der oben erwähnten Weisen an die Kühlkörperplatte gebunden worden ist, um die Gasaustauscherlextungen abzudichten. Nachdem dann Eingangsleitungen und Ausgangsleitungen in die Rückseite der Platte 113 gebohrt oder geätzt worden sind, werden dieFigs. 9a to 9c show a manufacturing method for a micro-miniature cooling device by forming attached Channel walls on a surface in contrast to the cutting of the channels in a surface again. the Plate 110, on whose flat surface 111 channels are to be formed, can be made of crystalline, amorphous or metallic Material. Material 112, for example sintered glass powder, epoxy resin, glass solder, by ultraviolet radiation hardenable cement, etc., is screen printed onto the surface 111 in a desired pattern, as shown in FIG Figure 9b is shown. The sintered glass powder melts when heated and forms the canal walls. The epoxy resin or the glass solder hardens in a corresponding manner Ultraviolet radiation curable cement is exposed to ultraviolet radiation to form the canal walls. In order to form the channels, distances of between 5 μm and 300 μm are provided. Figure 9b shows a carrier plate 113 made of glass that has been bonded to the heat sink plate in one of the above-mentioned ways to seal the gas exchange system. After then input lines and output lines in the back of the plate 113 have been drilled or etched, the
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Gaszuleitungen und -ableitungen an die Rückseite der Platte 113 gebunden.Gas supply lines and discharges tied to the back of the plate 113.
Die Figuren 10a bis 1Od zeigen ein Verfahren für die Herstellung gemäß Figur 5, bei der die Kanäle auf einer oder beiden ebenen Seiten einer Glasplatte 120 geätzt werden, auf die dann die beiden Glasplatten 121 und 122 (Figur iod) angebracht werden. Dies vereinfacht den Aufbau von mehrstufigen Vorrichtungen, insbesondere für das laminare Strömungssystem.Figures 10a to 10d show a method for the production according to Figure 5, in which the channels on one or both flat sides of a glass plate 120 are etched onto which the two glass plates 121 and 122 (figure iod) be attached. This simplifies the construction of multi-stage devices, especially for the laminar one Flow system.
Um die Vorrichtung herzustellen, wird die Platte 120 im Siebdruck mit einer dünnen kontinuierlichen Lage von Sinterglas versehen oder mit Glaslot 123 auf jeder Seite abgedeckt. (Gleiches kann auch auf nur einer Seite vorgesehen werden.) Diese Lagen werden dann geschmolzen, wie im Verfahrensschritt gemäß Figur 10a. Dann wird ein Resist 124 entweder auf die Oberseite und die Unterseite aufgedruckt, oder es wird ein Photoresist benutzt und auf jeder Seite bei 124 (Figur lob) belichtet und entwickelt, so daß jede Seite der Platte 120 das gewünschte Muster unter Benutzung einer der oben erläuterten Verfahren erhält. Die Platte wird jetzt (durch Sandstrahlen o.dgl.) abgetragen und dann der Resist entfernt. Die verbliebene Platte 120 ist in Figur lOc gezeigt. Es ist zu beachten, daß die Kanäle und 126 in getrennten Lagen erscheinen und die Glasober-To manufacture the device, the plate 120 is im Screen printing provided with a thin continuous layer of sintered glass or covered with glass solder 123 on each side. (The same can also be provided on only one side.) These layers are then melted, as in the process step according to Figure 10a. Then a resist 124 is printed on either the top and the bottom, or a photoresist is used and exposed and developed on each side at 124 (Figure lob) so that each Side of the plate 120 is given the desired pattern using one of the methods discussed above. The plate is now removed (by sandblasting or the like) and then the resist is removed. The remaining plate 120 is in Figure 10c shown. It should be noted that the channels and 126 appear in separate layers and the glass surfaces
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flächen zwischen diesen mit der aufgeschmolzenen Schicht 123 bedeckt sind.surfaces between these are covered with the melted layer 123.
Es werden dann Deckglasplatten 121 und 122 in einem Programm auf der Oberseite und der Unterseite angebracht, das zunächst das Erhitzen der gesamten Anordnung auf die Erweichungstemperatur des Glaslotes oder Glassinters einschließt. Dadurch werden auch die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung zur Fertigstellung der Kühlvorrichtung (Figur iod) abgedichtet. Löscher durch die Platte an dem kalten oder Kühlkammerende schließen über die Kapillarkanäle mit den Hochdruckkanälen 125 verbundene Reservoir an die Niederdruckkanäle 126 an. Gas unter hohem Druck tritt durch die Kanäle 125 zur Kühlkammer und von dort durch die Kanäle zurück. Die Kanallagen können auch in einer oder beiden Trägerplatten 121 und 122 anstatt in ihrer Gesamtheit in der Kühlkörperplatte 120 angebracht werden.There are then cover glass plates 121 and 122 in a program on the top and bottom attached, the first includes heating the entire assembly to the softening temperature of the glass solder or glass sinter. As a result, the inlet opening and the outlet opening for completing the cooling device (Fig iod) sealed. Extinguishers through the plate at the cold or cooling chamber end close with the capillary channels Reservoir connected to the high pressure channels 125 to the low pressure channels 126. High pressure gas passes through the Channels 125 to the cooling chamber and from there back through the channels. The channel layers can also be in one or both Carrier plates 121 and 122 are mounted in the heat sink plate 120 instead of in their entirety.
Figur 11 gibt ein Verfahren zur Herstellung einer "gestapelten" mehrstufigen Kühlvorrichtung 130 wieder, wie sie auch in Figur 6 gezeigt ist. Durch diesen Hergang können mehrstufige Kühlvorrichtungen in herkömmlicher Weise aufgebaut werden, bei der verschiedene Gase durch in Abstand voneinander liegenden Schichten durch Durchlässe in einem zusammengebundenen Plattenstapel treten, wie dies in Figur 11 gezeigt ist.FIG. 11 depicts a method of making a "stacked" multi-stage cooling device 130, like them is shown in FIG. By doing this, multi-stage cooling devices can be constructed in a conventional manner in which different gases are bound together by spaced layers through passages in one Plate stacks occur as shown in FIG.
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Diese Kühlvorrichtung weist fünf an den Oberflächen aneinandergebundene Glasplatten, vorzugsweise gleicher Größe in einem Stapel auf. Die drei inneren Platten 131, 132 und 133 werden in einem der oben beschriebenen Verfahren mit Oberflachenausnehmungen versehen. Beispielsweise werden die Platten 131 und 132 mit Oberflächenkanälen 134 bzw.This cooling device has five surfaces bonded together Glass plates, preferably of the same size in a stack. The three inner plates 131, 132 and 133 are provided with surface recesses in one of the processes described above. For example be plates 131 and 132 with surface channels 134 and
135 in Verfahren gemäß Figur 7a bis 7e, Figuren 8a bis135 in the method according to FIGS. 7a to 7e, FIGS. 8a to
8d oder Figuren 9a bis 9c versehen, während die Platte mit Oberflächenkanälen 136 bzw. 13 7 auf beiden Seiten versehen wird, beispielsweise in einem Verfahren nach Figur 10a bis 1Od. In jedem Fall ist das "Sandstrahlverfahren" bevorzugt, wodurch die offenen Kanten benachbarter Kanäle durch aufgeschmolzene Lagen aus Glassinter oder Glaslot auf der Glasoberfläche voneinander getrennt sind.8d or FIGS. 9a to 9c, while the plate is provided with surface channels 136 and 137, respectively, on both sides is, for example in a method according to Figure 10a to 10d. In any case, the "sandblasting process" is preferred, whereby the open edges of adjacent channels by melted layers of glass sinter or glass solder are separated from each other on the glass surface.
In der dargestellten zweistufigen Vorrichtung kann unter hohem Druck stehender Stickstoff über den Kanal 134 eintreten und über den Unterdruckkanal 135 zurückströmen. Unter hohem Druck stehender Wasserstoff kann über den KanalIn the illustrated two-stage device, nitrogen under high pressure can enter via channel 134 and flow back via the vacuum channel 135. Hydrogen under high pressure can use the channel
136 eintreten und wird durch Wärmeaustausch mit dem Sticks >toff im Kanal 135 vorgekühlt. Der unter Niederdruck stehende Wasserstoff strömt über die Kanäle 13 7 zu der Auslaßöffnung. Die gesamte Anordnung ist, wie bereits erläutert, mit Glaslot zusammengebunden. Alternativ können auch Platten mit aufgesetzten Kanalwänden anstelle der Platten mit eingeschnittenen Kanälen in zweistufigen oder mehrstufigen Kühl-136 enter and is through heat exchange with the sticks > toff pre-cooled in channel 135. The hydrogen under low pressure flows through the channels 13 7 to the outlet opening. As already explained, the entire arrangement is tied together with glass solder. Alternatively, plates can also be used with attached duct walls instead of the plates with incised ducts in two-stage or multi-stage cooling
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anordnungen benutzt werden. Die in Verbindung stehenden Einlasse und Durchlässe zwischen den verschiedenen Lagen werden in geeigneter Weise gebildet.arrangements are used. The communicating inlets and passages between the various layers are appropriately formed.
Während in den oben beschriebenen Ausführungsformen die Kühlvorrichtung einen kristallinen oder amorphen Kühlkörper hat, kann in manchen Fällen die Kühlvorrichtung auch durch Photoätzen in einem Kupferfilm an der Oberfläche einer Schaltungeplatte oder einer dünnen Platte aus Edelstahl angebracht werden. Während die beschriebene Kühlvorrichtung, wie oben erläutert, mit offenem Kühlkreis ausgebildet ist, können unter der Anwendung der oben beschriebenen Arbeitsweisen auch Kühlvorrichtungen mit geschlossenem Kühlkreis hergestellt werden. Es ist auch zu beachten, daß die Kanäle auch in der oben beschriebenen Weise auf Rohren, beispielsweise Kapillarröhrchen angebracht werden können, wobei die Außenfläche dieses Rohres in Anlage mit der es umgebenden Innenfläche eines anderen Rohres ist, um eine zylindrische Wärmetauscher-Kühlvorrichtung zu bilden. Das gegenseitige Abdichten der beiden koaxialen Rohre kann durch Aufschrumpfen des äußeren Rohres erfolgen, (Hierzu kommt unter der Bezeichnung "Betalloy" ((Raychem Corp.)) befindliches Rohrmaterial in Betracht.)While in the embodiments described above, the cooling device is a crystalline or amorphous heat sink in some cases the cooling device can also be photoetched in a copper film on the surface a circuit board or a thin plate made of stainless steel. While the described cooling device, As explained above, is designed with an open cooling circuit, can using the above-described Working methods also cooling devices with a closed cooling circuit can be produced. It's too Note that the channels are also attached to tubes, for example capillary tubes, in the manner described above with the outer surface of this tube in contact with the inner surface of another surrounding it Tube is to form a cylindrical heat exchanger cooler. The mutual sealing of the two coaxial Pipes can be made by shrinking on the outer pipe (this comes under the name "Betalloy" ((Raychem Corp.)).)
Die Kanalabmessungen, Oberflächenbindungstechniken und andere Eigenschaften der Kühlvorrichtung können derart sein, wieThe channel dimensions, surface bonding techniques and other properties of the cooling device can be such as
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sie im folgenden in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 12 bis 32 beschrieben werden.they are described below in connection with the exemplary embodiments according to FIGS. 12 to 32.
Figur 12 gibt einen typischen Aufbau wieder, bei dem die Kühlvorrichtung 211 an ihrem einen Ende in einem Halter 212 angebracht ist, innerhalb dessen sie derart befestigt ist, daß die Kühlvorrichtung und der Halter üblicherweise eine einheitliche Anordnung bilden, wie sie bei 213 angedeutet ist.FIG. 12 shows a typical structure in which the cooling device 211 is in a holder at one end 212 is attached, within which it is attached such that the cooling device and the holder usually form a uniform arrangement, as indicated at 213.
In der erläuterten Anordnung enthält die Kühlvorrichtung Strömungskanäle, die durch den Halter hindurch an die Einlaß- und Auslaßeinrichtungen für das Kühlmittel angeschlossen sind.In the illustrated arrangement, the cooling device contains flow channels which pass through the holder to the Inlet and outlet devices for the coolant are connected.
Figur 12 zeigt wie die Kühlanordnung im inneren Raum 214 eines typischen boxartigen Gehäuses 215 angebracht ist, das mit einem bei 216 angedeuteten luftdichten Deckel verschlossen ist. In dem Gehäuse ist der Halter 212 in geeigneter Weise am Boden des Innenraumes befestigt, und die Kühlvorrichtung erstreckt sich freitragend durch den Innenraum. Vorzugsweise wird der Innenraum über eine zu einerFIG. 12 shows how the cooling arrangement in the inner space 214 a typical box-like housing 215 is attached, which is closed with an airtight lid indicated at 216 is. In the housing, the holder 212 is fastened in a suitable manner to the floor of the interior space, and the The cooling device extends through the interior in a self-supporting manner. Preferably, the interior space becomes a
217 Vakuumquelle 218 führende Leitung/auf Unterdruck gehalten.217 vacuum source 218 leading line / held at negative pressure.
Der fortgesetzt zu kühlende Gegenstand, der beispielsweise ein kleiner supraleitfahiger Chip oder dergleichen seinThe object to be continuously cooled, for example a small superconducting chip or the like
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kann, ist in geeigneter Weise im Innenraum 214 angebracht, vorzugsweise in Berührung mit dem kältesten Bereich der Kühlvorrichtung, wie dies gestrichelt in der Zeichnung angedeutet ist, wobei (nicht gezeigte) Leitungen durch abgedichtete Durchlässe im Gehäuse treten. In der dargestellten Ausführungsform ist der zu kühlende Gegenstand vorzugsweise in direkter Berührung mit der Glasoberfläche der Deckplatte für die Kühlkammer 224 der Kühlvorrichtung angebracht.is suitably mounted in the interior space 214, preferably in contact with the coldest area of the Cooling device, as indicated by dashed lines in the drawing, with lines (not shown) sealed by Step through passages in the housing. In the embodiment shown, the object to be cooled is preferably mounted in direct contact with the glass surface of the cover plate for the cooling chamber 224 of the cooling device.
In Figur 13 ist der Strömungsweg zumindest schematisch dargestellt. Die Kühlvorrichtung 211 hat eine Einlaßöffnung 221 zum Zuführen von hochkomprimiertem Gas, das durch einen Durchlaß tritt, der einen bei 222 angedeuteten Wärmetauscher-Abschnitt und einen Kapillarabschnitt 223 mit kleinerem Durchmesser aufweist und in die Kühlkammer 224 mündet. Der zu kühlende Gegenstand 219 ist so nahe wie möglich an der Kammer 224 gelegen, welche der kälteste Teil der Kühlvorrichtung ist. Das die Kammer 224 verlassende Kühlmittel strömt längs eines Durchlaßes 225 zurück, der sich benachbart und in wärmetauschender Weise entlang des Abschnittes 222 des Einlaßdurchlaßes erstreckt und zu einer Auslaßöffnung 226 führt. Diese Durchlässe haben Abmessungen in der Micron-Größenordnung für Kühlvorrichtungen zur Erzeugung sehr tiefer Temperatur mit Kapazität in der Größenordnung von Milliwatt.In Figure 13, the flow path is shown at least schematically. The cooling device 211 has an inlet port 221 for supplying highly compressed gas through a Passage occurs, which is indicated at 222 heat exchanger section and a capillary section 223 with a smaller one Has diameter and opens into the cooling chamber 224. The object to be cooled 219 is as close as possible located at chamber 224 which is the coldest part of the cooling device. The coolant exiting chamber 224 flows back along a passage 225 which is adjacent and in a heat exchanging manner along the section 222 of the inlet passage and leads to an outlet opening 226. These passages have dimensions in the micron range for very low temperature cooling devices with capacity in the On the order of milliwatts.
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Die Einlaßöffnung 221 und die Auslaßöffnung 226 stehen in Verbindung mit Bohrungen 227 bzw. 228 im Halter 212, und der Halter ist derart im Gehäuse angebracht, daß er mit den Bohrungen 227 und 228 in Verbindung mit einer Kühlmitteleinlaßleitung 229 und einer Kuhlmittelauslaßleitung 231 steht, die sich von dem Gehäuse weg erstrecken. Wenn das System einen offenen Kühlkreis vorsieht, ist die Leitung 229 mit einer Quelle von unter Druck stehendem gasförmigem Kühlmittel verbunden und die Leitung 132 mit einem geeigneten Gasauslaß. In einem System mit geschlossenem Kühlkreis sind die Leitungen 229 und 231 über eine Schleife miteinander verbunden, die einen Kondensator und einen Druckerzeuger enthält.The inlet port 221 and the outlet port 226 are in FIG Connection with holes 227 and 228 in the holder 212, and the holder is mounted in the housing that it is with the bores 227 and 228 in connection with a coolant inlet line 229 and a coolant outlet line 231 which extend away from the housing. if For example, if the system provides an open circuit, line 229 is with a source of pressurized gaseous Coolant connected and line 132 to a suitable gas outlet. In a system with closed The lines 229 and 231 are connected to one another via a loop, which has a condenser and a cooling circuit Includes pressure generator.
Wie am besten aus Figur 14 ersichtlich, weist die Kühlvorrichtung 211 einen aus drei Elementen aufgebauten "Sandwich-Verbund" auf, der im wesentlichen aus drei an den Oberflächen aneinandergebundenen ähnlichen genau ebenen Platten 232, 233 und 234 aus Glas oder anderem Material mit ähnlich niedriger thermischer Leitfähigkeit aufgebaut inst, wobei diese Platten annähernd gleiche Länge und Breite und eine Dicke vorzugsweise in der Größenordnung von 0,5 nun aufweisen. Die mittlere Platte kann dünner als die anderen beiden Platten sein, um den Wärmeaustausch zwischen den Einströmungskanälen und den Ausströmungskanälen zu steigern. Die Kühlvorrichtung 211 kann insge-As can best be seen from FIG. 14, the cooling device 211 has a "sandwich composite" made up of three elements. which consists essentially of three similar precisely planes that are tied to one another on the surfaces Plates 232, 233 and 234 made of glass or other material with similarly low thermal conductivity inst, these plates being approximately equal in length and Width and thickness preferably on the order of 0.5 now. The middle plate can be thinner than the other two plates are to allow heat exchange between the inflow channels and the outflow channels to increase. The cooling device 211 can in total
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samt etwa 1,3 cm breit, 5,7 cm lang und etwa 0,15 cm dick (Gesamtdicke) sein. Mit diesen Abmessungen stellt die Kühlvorrichtung 211 eine betriebsfähige Ausführungsform dar, die erfolgreich geprüft worden ist. Eine andere arbeitsfähige Ausführungsform sieht als Abmessungen vor: 5 mm Breite, 25 mm Länge und 1,5 mm Gesamtdicke.including about 1.3 cm wide, 5.7 cm long and about 0.15 cm thick (total thickness). With these dimensions, the Cooling device 211 an operable embodiment that has been successfully tested. Another working embodiment provides as dimensions: 5 mm width, 25 mm length and 1.5 mm total thickness.
Die Kühlvorrichtung hat einen Mehrfach-Gas-Lagen-Aufbau, was bedeutet: Die Zuführkanäle 222 und 22 3 für das Kühlmittel und die Kühlkammer sind so ausgebildet, daß sie eine Strömungsdurchlaß-Lage für das Kühlmittel innerhalb des Sandwich-Aufbaus im wesentlichen in einer Ebene bilden, während der Rückströmungsdurchlaß so ausgebildet ist, daß er eine getrennte Strömungsdurchlaß-Lage für das Kühlmittel innerhalb des Sandwich-Aufbaues im wesentlichen in einer davon getrennten Ebene bildet. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind diese Lagen in einer Strömungsverbindung durch eine in der Wand der Kühlkammer angebrachte Öffnung.The cooling device has a multiple gas layer structure, which means: The supply channels 222 and 22 3 for the coolant and the cooling chamber are designed so that they a Form a flow passage layer for the coolant within the sandwich structure essentially in one plane, while the return flow passage is formed to have a separate flow passage location for the coolant forms within the sandwich structure essentially in a separate plane. As can be seen from the drawing, these layers are in flow connection through an opening made in the wall of the cooling chamber.
Die Figuren 17 bis 24 veranschaulichen im einzelnen eine andere Ausführungsform. Die dünnen flachen Glasplatten 232, 233 und 2 34 sind von gleichen Abmessungen. Die mittlere Glasplatte 233 ist glatt mit sich gegenüberliegenden ebenen, glatten coplanaren Oberflächen 235 und 236 (Figur 22). Die obere Platte 232 ist, wie dargestellt, transparent. Wie im Beispiel der Figur 17 hat die Platte 232 eingeschnit-Figures 17 to 24 illustrate in detail another embodiment. The thin flat glass plates 232, 233 and 2 34 are of the same dimensions. The middle glass plate 233 is smooth with opposing planes, smooth coplanar surfaces 235 and 236 (Figure 22). As shown, the top plate 232 is transparent. As in the example of Figure 17, the plate 232 has cut
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tene Bereiche oder Kanäle in ihrer unteren Fläche 237, die die Einlaßöffnung 221, den Wärmetauscher-Kanalabschnitt 222, den Kapillarkanalabschnitt 223 und die Kühlkammer 224 bilden, die in Reihenanordnung in dem kontinuierlichen Strömungsweg von der Einlaßöffnung 221 zur Kammer 224 liegen. Die Einlaßöffnung 221 ist in Art eines geschlossenen Bodenschachtes ausgebildet.tene areas or channels in their lower surface 237 which the inlet port 221, the heat exchanger channel section 222, forming the capillary channel section 223 and the cooling chamber 224 arranged in series in the continuous flow path from inlet port 221 to chamber 224. The inlet opening 221 is in the form of a closed bottom shaft educated.
Die Zwischenplatte 233 verschließt die eine Seite der Kanäle in der Platte 2 32 und hat an ihrem einen Ende eine durchgehende Bohrung 238, die mit der Einlaßöffnung 221 der Platte 232 in der Anordnung ausgerichtet ist. Am anderen Ende hat die Platte 2 33 einen Durchlaß 239, der mit der Kühlkammer 224 ausgerichtet ist.The intermediate plate 233 closes one side of the channels in the plate 2 32 and has one at one end through bore 238 which is aligned with inlet port 221 of plate 232 in the assembly. At the other At the end, the plate 2 33 has a passage 239 which is aligned with the cooling chamber 224.
Die Unterplatte 2 34 ist an ihrer Oberseite bzw. in ihrer oberen Fläche 240 mit dem Niederdruck-Rücklaufweg für das Kühlmittel ausgebildet, nämlich mit einem generell rechteckigen breitflächigen Oberflächeneinschnitt 241. Eine Reihe von in Abstand angeordneten Rippen 242 und verschiedene Reihen von Vorsprüngen 243 sind auf dem Boden dieses Einschnittes vorgesehen, um tragende Berührung mit der unteren Fläche 236 der mittleren Platte im Zusammenbau zu halten, ohne jedoch die Strömung des Kühlmittels nennenswert zu behindern. Die Platte 234 ist mit einer durchgehenden Bohrung 243 versehen, die im zusammengebautenThe lower plate 2 34 is on its top or in its upper surface 240 with the low-pressure return path for the Formed coolant, namely with a generally rectangular wide surface incision 241. One Row of spaced apart ribs 242 and various rows of protrusions 243 are on the floor this incision is provided to make bearing contact with the lower surface 236 of the center panel in the assembly to hold, but without significantly hindering the flow of the coolant. The plate 234 is with a through hole 243 provided in the assembled
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Zustand der Figur 16 mit den Bohrungen 238 und 221 ausgerichtet ist. Eine zweite Bohrung 244 in der Platte 234 mündet in den Einschnitt 241. Das aus der Kühlkammer austretende Kühlmittel tritt durch den Durchlaß 239 in den Einschnitt 241 und tritt dann durch die Auslaßöffnung 244 aus der Anordnung aus.State of Figure 16 is aligned with the bores 238 and 221. A second hole 244 in plate 234 opens into the incision 241. The coolant emerging from the cooling chamber passes through the passage 239 into the incision 241 and then exits the assembly through the outlet port 244.
In zusammengebautem Zustand sind die Glasplatten 232, 233 und 234 an ihren Zwischenflächen zu einem Stapel druckfest und druckdicht aneinander gebunden. Dieses Laminat ist in den Halter 212 gelegt, wo das eine Ende mittels Klebstofflagen 2 49 und 250 an den Metallhalter gebunden ist und die Öffnungen 243 und 244 mit den Bohrungen 227 bzw. 228 ausgerichtet sind. Hierdurch werden außer einem Träger für die Kühlvorrichtung auch abgedichtete lecksichere Einlaß- und Auslaßverbindungen für die Strömungskanäle der Kühlvorrichtung geschaffen. Die Abmessungen der Kanäle werden entsprechend den gewünschten Kühlkapazitäten gewählt.In the assembled state, the glass plates 232, 233 and 234 are at their intermediate surfaces to form a stack bound together pressure-tight and pressure-tight. This laminate is placed in the holder 212, where one end means Adhesive layers 2 49 and 250 are bound to the metal holder and the openings 243 and 244 with the bores 227 and 228 are aligned. In addition to a carrier for the cooling device, this also makes sealed leak-proof ones Inlet and outlet connections created for the flow channels of the cooling device. The dimensions the channels are selected according to the desired cooling capacities.
Die Durchlässe 222, 223 und 225 haben Abmessungen in der Micron-Größenordnung. Die Durchlässe 222 und insbesondere 223 haben Abmessungen in Microngröße, und zwar in der Größenordnung zwischen 5 um und 500 um. In einer typischen Kühlvorrichtung können diese Durchlässe flach, d.h. mit einer Tiefe von 5 um bis 10 um und schal, d.h. einerThe passages 222, 223 and 225 have dimensions on the micron order. The passages 222 and in particular 223 are micron-sized, on the order of between 5 µm and 500 µm. In a typical Cooling devices, these passages can be flat, i.e. with a depth of 5 µm to 10 µm, and shallow, i.e. one
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Breite zwischen 150 um bis 200 um ausgebildet sein. Im Durchlaß 222 bewegt sich das Gas in laminarer Strömung, wodurch Vibration, Geräusch und andere durch turbulente Strömung hervorgerufene Probleme vermindert werden. Der Einschnitt 241 ist im typischen Fall etwa 20 um bis 24O um tief.Width between 150 µm to 200 µm. In passage 222 the gas moves in a laminar flow, thereby reducing vibration, noise and other problems caused by turbulent flow. Of the Incision 241 is typically about 20 µm to 240 µm deep.
In einer Abwandlung gegenüber dem obigen Beispiel können der Einlaßkanal und der Auslaßkanal als Nuten oder in anderer Weise in den gegenüberliegenden Oberflächen der mittleren Platte 233 ausgebildet sein. Es ist auch möglich, den einen Kanal in der Platte 2 33 und den anderen in einer der beiden äußeren Platten anzubringen.In a modification of the above example, the inlet channel and the outlet channel as grooves or in otherwise be formed in the opposite surfaces of the middle plate 233. It is also possible, to install one channel in the plate 2 33 and the other in one of the two outer plates.
Im Betrieb einer Kühlvorrichtung gemäß Figur 12 bis 24 wird komprimiertes Gas, beispielsweise Stickstoff oder Ammoniak, bei Umgebungstemperatur (15°C bis 32°) durch die Leitung 229 und die Einlaßöffnung 221 eingeführt. Die dabei benutzten Gasdrucke liegen im Bereich von etwa 10 bar bis 210 bar.During operation of a cooling device according to FIGS. 12 to 24, compressed gas, for example nitrogen or Ammonia, introduced through line 229 and inlet port 221 at ambient temperature (15 ° C to 32 °). the The gas pressures used are in the range from about 10 bar to 210 bar.
Das Gas strömt durch den Wärmetauscherabschnitt 222 der Kanäle mit Micronabmessungen und dann durch den noch kleineren Querschnitt des Kapillarabschnittes 223, wo sich das Gas entspannt und seine Temperatur herabsetzt und tritt in die Kühlkammer 224 ein. Das Kühlmittel in derThe gas flows through the heat exchanger section 222 of the micron sized channels and then through the still smaller cross-section of the capillary section 223, where the gas expands and its temperature decreases and enters the cooling chamber 224. The coolant in the
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Kühlkammer 224 kann überkühltes Gas, Flüssigkeit oder ein Gemisch beider sein. In jedem Fall ist dies der kälteste Teil der Kühlvorrichtung.Cooling chamber 224 can be supercooled gas, liquid, or a mixture of both. In any case, this is the coldest Part of the cooling device.
Das Kühlmittel verläßt die Kühlkammer 224 durch den Durchlaß 239, strömt mit vermindertem Druck durch den Rückführkanal 225 in Wärmeaustausch mit dem Einlaßkanal 222 und dann durch die Auslaßöffnung 226 und die Leitung 231. Es ist zu beachten, daß dieser Wärmeaustausch im wesentlichen direkt durch die geringe gleichförmige Dicke der mittleren Glasplatte 233 erfolgt und wirksam und genau definiert vonstatten geht, wobei das kalte, unter geringem Druck ausströmende Gas das einströmende hochkomprimierte Gas vorkühlt. The coolant leaves the cooling chamber 224 through the passage 239, flows at reduced pressure through the return channel 225 in heat exchange with inlet channel 222 and then through outlet port 226 and conduit 231. Es it should be noted that this heat exchange is essentially directly due to the small uniform thickness of the middle Glass plate 233 takes place and takes place effectively and precisely defined, with the cold flowing out under low pressure Gas pre-cools the incoming highly compressed gas.
Der Wärmeaustausch zwischen den Wärmetauscherabschnitten des Hochdruckgaskanals und des Niederdrückrückströmungskanals findet durch Wände hindurch statt, die Dickenabmessungen der jeweiligen Platten haben, wodurch eine genaue relative Anordnung möglich ist. Der Wärmeaustausch wird bestimmt durch die Plattendicke.The heat exchange between the heat exchanger sections of the high pressure gas channel and the low pressure return flow channel takes place through walls, which have the thickness dimensions of the respective plates, whereby an accurate relative arrangement is possible. The heat exchange is determined by the plate thickness.
Einer der besonderen Vorteile der Benutzung von laminarer Strömung in der Niederdruckrückströmung in einer getrennten Schicht besteht darin, daß die Kühlvorrichtung bei einer niedrigeren Temperatur arbeiten kann als Kühlvorrichtungen,One of the special advantages of using laminar flow in the low pressure return flow in a separate one Layer is that the cooler can operate at a lower temperature than coolers,
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die für turbulente Strömung in dem Rückführungskanal ausgelegt sind. Dies ergibt sich, weil die laminare Strömung in den Kanälen niedrigere Gegendrucke und dadurch niedrigere Betriebstemperaturen erzeugt.which are designed for turbulent flow in the return duct. This is because the laminar flow in creates lower back pressures in the ducts and thus lower operating temperatures.
Die Erfahrung hat gezeigt, daß mehrlagige Kühlvorrichtungen der oben erläuterten Art mit bis zu einem Drittel weniger Materialvolumen hergestellt werden können als einlagige Kühlvorrichtungen (einlagig bedeutet, daß die Einlaßkanäle und die Rücklaufkanäle in nur einer Zwischenfläche gebildet sind), wobei gleiche Kühlkapazität vorausgesetzt ist. Die Führung des Kühlmittels in zwei Lagen führt somit zu höherer Wirksamkeit, d.h. höherem Kühlwirkungsgrad in der Kühlvorrichtung.Experience has shown that multilayer cooling devices of the type discussed above can be used with up to a third less Volume of material can be manufactured as a single layer Cooling devices (single layer means that the inlet channels and the return channels are formed in only one intermediate surface are), where the same cooling capacity is assumed. The management of the coolant in two layers thus leads to higher efficiency, i.e. higher cooling efficiency in the cooling device.
Die Platten 232, 233 und 234 bestehen vorzugsweise aus Natronkalkglas, Borrosilikatglas oder Material mit ähnlich niedriger Wärmeleitfähigkeit. Sie müssen eben, mit geringer Wärmeleitfähigkeit und geeignet sein, bearbeitet zu werden, um die Oberflächeneinschnitte für die oben begchriebenen Durchlässe und die Kühlkammern zu bilden. Dies ist besonders erwünscht, wenn ein Kühlen bis -50 C oder darunter erforderlich ist. Wenn jedoch die erforderliche Temperatur nicht so tief ist, wird man bevorzugt eine obere Platte aus einem Material mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit, jedoch mit im wesentlichen gleichem Temperatur-The plates 232, 233 and 234 are preferably made of soda-lime glass, borrosilicate glass or similar material low thermal conductivity. You just have to, with less Thermal conductivity and be able to be machined to make the surface incisions for those described above Form passages and the cooling chambers. This is particularly desirable when cooling down to -50 C or underneath is required. However, if the required temperature is not so low, one is preferred upper plate made of a material with very high thermal conductivity, but with essentially the same temperature
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ausdehnungskoeffizienten benutzen, beispielsweise aus Berylliumoxid, Silizium oder einem kristallinen Aluminiumoxid, um auf diese Weise einen erhöhten Wirkungsgrad für den Wärmeaustausch zu erreichen.Use expansion coefficients, for example from Beryllium oxide, silicon or a crystalline aluminum oxide in order to increase the efficiency for this way to achieve heat exchange.
In manchen Ausführungsformen kann das Hochdruck-Einlaß-Kanalsystem und das Niederdruck-Kanalsystem in die gegenüberliegenden Seiten der Mittelplatte eingeätzt oder in anderer Weise eingearbeitet werden, während die anderen beiden Platten des Stapels mit ebenen Oberflächen ausgebildet sind, um die offenen Einschnittäeiten zu verschließen. Man kann auch die eine Kanallage (Hochdruckkanäle oder Niederdruckkanäle) in der Mittelplatte und die andere Lage von Kanälen in der Oberplatte bzw. der Unterplatte anbringen. In some embodiments, the high pressure inlet duct system and the low pressure duct system etched into, or in, opposite sides of the center plate be incorporated in another way, while the other two plates of the stack are formed with flat surfaces to close the open incision sides. One can also use one channel layer (high pressure channels or Low pressure ducts) in the middle plate and the other layer of ducts in the upper plate or the lower plate.
Figur 25 gibt eine Ausführungsform wieder, in der drei ähnliche Platten 251, 252 und 253 mit etwa O,5 mm Dicke die Durchlaßkanäle in Micron-Abmessungen bilden. Die Platten sind in einem Stapel aneinandergebunden, aber in eier Zeichnung auseinandergezogen dargestellt, um die Einzelheiten der Kühlvorrichtungsteile besser zu zeigen.FIG. 25 shows an embodiment in which three similar plates 251, 252 and 253 approximately 0.5 mm thick form the passage channels in micron dimensions. The panels are tied together in a stack, but in eier drawing shown exploded to the To better show details of the cooler parts.
Das unter hohem Druck stehende Gas wird in die Einströmöffnung 254 der Platte 251 eingeführt, die eine flache Glasplatte mit ebenen Oberflächen ist, und strömt durchThe high pressure gas is introduced into the inflow port 254 of the plate 251, which is a shallow one Glass plate with flat surfaces is, and flows through
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Dipl.-Phys. Heinrich Seide ■ Patentanwalt ■ Bierstadter Höhe 15 · Postfach 5105 · 6200 Wiesbaden I · 5? (06121) 562022Dipl.-Phys. Heinrich Silk ■ Patent Attorney ■ Bierstadter Höhe 15 · P.O. Box 5105 · 6200 Wiesbaden I · 5? (06121) 562022
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die Bohrung 255 in der Platte 252 zu einer trogartigen Vertiefung 256 mit geschlossenem Boden in der oberen Fläche der unteren Platte 253, die gleich wie die Platte 232 gemäß Figur 12 bis 24 sein kann. Der Strömungskreis für höheren Druck setzt sich in der Platte 253 als ein Wärmetauscherabschnitt 257 und ein kapillarer Expansionsabschnitt 258 fort, der in die Kühlkammerausnehmung 259 mündet.the bore 255 in the plate 252 to a trough-like recess 256 with a closed bottom in the upper surface the lower plate 253, which can be the same as the plate 232 according to FIGS. 12 to 24. The flow circuit for higher pressure settles in plate 253 as a heat exchanger section 257 and a capillary expansion section 258, which opens into the cooling chamber recess 259.
Die Zwischenplatte 252, die gleich der Platte 234 der Figuren 12 bis 24 sein kann, ist flach und eben an ihrer unteren Oberfläche, um die Kanäle in der Platte 253 zu vervollständigen. Die obere Oberfläche der Platte 252 ist bei 261 vertieft ausgebildet, um den Niederdruckrückströmkanal zu bilden. Eine durchgehende Bohrung 262 im Boden der Ausnehmung 251 verbindet den Niederdruckkanal 261 mit der Kühlkammer 259 und eine Bohrung 26 3 in der PlatteThe intermediate plate 252, which is the same as the plate 234 of the figures 12 to 24, is flat and level on its lower surface to accommodate the channels in plate 253 to complete. The top surface of plate 252 is recessed at 261 to provide the low pressure return flow passage to build. A through hole 262 in the bottom of the recess 251 connects the low-pressure channel 261 with the cooling chamber 259 and a bore 26 3 in the plate
251 verbindet den Niederdruckkanal 261 mit einem äußeren Kühlmittelkreis.251 connects the low-pressure channel 261 to an external coolant circuit.
Figur 26 zeigt eine Ausfuhrungsform ähnlich derjenigen gemäß Figur 25, jedoch mit zwei Niederdruckrückströmkanälen. Vier Platten mit ähnlichen Abmessungen sind in einen Stapel aneinander-gebunden und in Figur 26 zur Übersichtlichkeit auseinandergezogen dargestellt. Die Plattm 251,Figure 26 shows an embodiment similar to that according to FIG. 25, but with two low-pressure return flow channels. Four plates of similar dimensions are in one Stacks bound to one another and shown exploded in FIG. 26 for clarity. The Plattm 251,
252 und 2 53 sind die gleichen wie im Beispiel der Figur 24, und eine vierte Platte 264 ist zur Bildung eines zweiten252 and 253 are the same as in the example of Figure 24, and a fourth plate 264 is to form a second
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Unterdruck-Rückströmkanals hinzugefügt. Die Platte 264 kann ein Zweitstück der Platte 252 sein mit dem Unterschied, daß die Ausnehmung für den Niederdruckrückführungskanal in der oberen Oberfläche gebildet ist. Jedoch verbindet eine durchgehende Bohrung 265 in der Platte 263 im Boden der Kühlkammer 259 diese Kühlkammer mit dem Unterdruckkanal 266 in der oberen Oberfläche der Platte 264. Ferner ist keine Bohrung entsprechend der Bohrung 262 in der Vertiefung 266 vorgesehen, sondern das unter Niederdruck stehende Gas strömt von der Vertiefung 266 durch eine durchgehende Bohrung 267 in der Platte 253 und eine durchgehende Bohrung 268 in der Platte 253, um sich mit dem ausströmenden Gas aus der Vertiefung 261 zu vereinigen und durch die Aualaßöffnung 263 zu strömen. Auf diese Weise sind in dieser Ausführungsform zwei Wärmtauscherwege vorgesehen, die ein schnelleres und tieferes Vorkühlen des unter hohem Druck stehenden eintretenden Gases bewirken.Negative pressure return channel added. The plate 264 can be a second piece of the plate 252 with the difference that that the recess for the low pressure return channel is formed in the upper surface. However connects a through hole 265 in the plate 263 in the bottom of the cooling chamber 259, this cooling chamber with the vacuum channel 266 in the top surface of plate 264. Furthermore, there is no hole corresponding to hole 262 in the recess 266 is provided, but the gas under low pressure flows from the recess 266 through a through hole 267 in plate 253 and a through hole 268 in plate 253 to connect with the To combine the gas flowing out of the recess 261 and to flow through the outlet opening 263. In this way two heat exchanger paths are provided in this embodiment, which precool the faster and deeper cause high pressure entering gas.
In der Ausführungsform nach Figur 2 7 ist das kalte Ende der Kühlvorrichtung 211 in einem Maß abgeändert, daß die Kühlkammer anstelle einer Vertiefung, wie bei 224 in Figur 14, jetzt eine durchgehende Öffnung 271 in der abdeckenden Glasplatte 251 ist und daß über diese Öffnung ein dünnes, flaches Kissen 271 eines Materials mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit druckdicht aufgesetzt und gebunden ist. Der zu kühlende Gegenstand 219 wird direkt auf diesemIn the embodiment of Figure 2 7 the cold end of the cooling device 211 is modified to the extent that the Cooling chamber instead of a recess, as at 224 in FIG. 14, now has a through opening 271 in the covering glass plate 251 and that over this opening a thin, flat cushion 271 of a material with very high thermal conductivity placed and bound in a pressure-tight manner is. The object to be cooled 219 is directly on this
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Kissen 271 angebracht. Auf diese Weise berührt das Kühlmittel bei seiner tiefsten Temperatur die untere Fläche dieses Kissens 271.Cushion 271 attached. In this way, the coolant will contact the lower surface at its lowest temperature this pillow 271.
Bevorzugte Materialien für das Kissen 271 sind Silizium, Beryllium und Saphir. Alle haben sehr hohe und bei sehr niederen Temperaturen stark ansteigende Wärmeleitfähigkeit und können an ein geeignetes Plattenmaterial mit etwa gleichem Temperaturausdehnungskoeffizienten angepaßt werden. Das bevorzugte Material ist Berylliumoxid. Dieses Material verbindet hohe Härte mit einem näher an dem bevorzugten Glasplattenmaterial liegenden Temperaturausdehnungskoeffizienten. Preferred materials for cushion 271 are silicon, beryllium, and sapphire. All have very high and very high low temperatures strongly increasing thermal conductivity and can be connected to a suitable plate material with about be adapted to the same temperature expansion coefficient. The preferred material is beryllium oxide. This material combines high hardness with one closer to the preferred Glass plate material lying temperature expansion coefficient.
Die Figuren 28 bis 30 zeigen eine andere Form einer Mehrlagen-Kühlvorrichtung, die nach dem gleichen Prinzip arbeitet. Wie in Figur 28 gezeigt, weist das Kühlvorrichtungs-Laminat drei ähnliche dünne ebene Platten 280, 281 und 282 aus einem Material auf, das geätzt werden kann. Bevorzugt sind die Platten 280 und 281 Glasplatten. Die Platte 2·β2 kann für viele Zwecke aus Glas bestehen, aber für andere Zwecke kann sie aus einem glasähnlichen Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit bestehen, beispielsweise kristallinem Aluminiumoxid (Saphir), Beryllium oder Silizium.Figures 28 to 30 show another form of a multilayer cooling device, which works on the same principle. As shown in Figure 28, the cooler laminate three similar thin planar plates 280, 281 and 282 of material that can be etched. Preferred panels 280 and 281 are glass panels. The plate 2 * β2 can be made of glass for many purposes, but for others Purposes it can consist of a glass-like material with higher thermal conductivity, for example crystalline aluminum oxide (sapphire), beryllium or silicon.
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Auf der oberen Fläche 283 der Platte 280 ist der Hochdruck-Gaseinlaßkanal geätzt oder in äquivalenter Weise geformt, der hier im wesentlichen aus einer Kapillarnut 284 mit Micronabmessungen besteht, die von der Einlaßöffnung 285 in ein Labyrinth zur zentralen eingeschnittenen Kühlkammer 286 verläuft.On top surface 283 of plate 280 is the high pressure gas inlet port etched or shaped in an equivalent manner, which here essentially consists of a capillary groove 284 consists of micron dimensions, which are incised from the inlet opening 285 in a labyrinth to the central Cooling chamber 286 runs.
Die Platte 281 hat eine kontinuierliche ebene untere Oberfläche 287, die druckdicht auf die Platte 280 gebunden ist, um den Einlaßkanal und die Kühlkammer zu vervollständigen.The plate 281 has a continuous flat lower surface 287 which is pressure-tightly bonded to the plate 280, to complete the inlet duct and the cooling chamber.
In die obere Fläche 288 der Platte 281 ist eine breite Nut 289 als Niederdruck-Gasrückführung von einem Durchlaß 290 aus angebracht. Eine Reihe von vorstehenden radialen Rippen 291 in der Vertiefung bzw. Nut 289 berühren entsprechend die Platten 280, um die mechanische Festigkeit der Anordnung zu verbessern. Das ausströmende Gas mit vermindertem Druck strömt in der Nut 289 zu einer Auslaßöffnung 292, die sich durch eine der Platten 280 oder 282 nach außen fortsetzt, wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen.In the top surface 288 of plate 281 is a wide groove 289 for low pressure gas recirculation from a passage 290 from attached. A series of protruding radial ribs 291 in the recess or groove 289 contact accordingly the plates 280 to improve the mechanical strength of the assembly. The escaping gas with reduced pressure flows in the groove 289 to an outlet opening 292 which extends through one of the plates 280 or 282 continues to the outside, as in the embodiments described above.
Wie in Figur 28 angedeutet, ist die Platte 282 druckdichtAs indicated in FIG. 28, the plate 282 is pressure-tight
in auf der Platte 281 gebunden, um den/Micron-Abmessungen tiefen Rückführungskanal 289 abzudecken bzw. zu vervollständigen. bound in on plate 281 to the / micron dimensions to cover or complete deep return channel 289.
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Auf der Oberseite 293 der Platte 282 ist unmittelbar der zu kühlende Chip 294 befestigt, und ein gedruckter oder ähnlicher Stromkreis 295 für diesen Chip erstreckt sich über die Platte 282 zu geeigneten äußeren elektrischen Anschlüssen. Der Chip ist auf diese Weise dem gekühlten Kühlmittel an dem im wesentlichen kältesten Bereich der Kühlvorrichtung ausgesetzt. Diese Anbringungsart für den zu kühlenden Gegenstand kann bei allen Ausführungsformen benutzt werden.On the upper side 293 of the plate 282, the chip 294 to be cooled is attached directly, and a printed or Similar circuit 295 for this chip extends across board 282 to appropriate external electrical Connections. The chip is in this way the cooled coolant at what is essentially the coldest area of the Cooling device exposed. This type of attachment for the object to be cooled can in all embodiments to be used.
In dieser Ausführungsform erfüllt der Kapillarkanal eine Wärmeaustauschfunktion mit dem Auslaßkanal 289 für das Kühlmittel. Diese Anordnung kann vorzugsweise für höhere Temperäturkühlung herangezogen werden, d.h. dort wo ein Kühlen bis zu cryogenen Temperaturen nicht notwendig ist. Beispielsweise kann Ammoniak als Kühlmittel benutzt werden, um Temperaturen von -30 C und Kühlkapazitäten bis zu 50 Watt zu erreichen.In this embodiment, the capillary channel fulfills a heat exchange function with the outlet channel 289 for the Coolant. This arrangement can preferably be used for higher temperature cooling, i.e. where a Cooling down to cryogenic temperatures is not necessary. For example, ammonia can be used as a coolant, to reach temperatures of -30 C and cooling capacities of up to 50 watts.
Wenn die Anforderungen an cryogenes Kühlen herankommen, ist eine Wärmetauscherregion zum Vorkühlen vor dem Kapillar· abschnitt vorzusehen. Zum Beispiel kann das Kühlmittel Freon sein, das unter hohem Druck eingeführt wird und im Druck abfällt, expandiert und den Kapillarabschnitt 284 kühlt, während er in Wärmeaustausch mit dem zurückströmenden Gas in der Nut 289 für weiteras Kühlen steht.When the requirements for cryogenic cooling approach, a heat exchanger region for pre-cooling in front of the capillary section to be provided. For example, the coolant can be freon, which is introduced under high pressure and drops in pressure, expands and cools the capillary section 284 while it is in heat exchange with the returning Gas in groove 289 is available for further cooling.
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Wenn das Gas für cryogenes Kühlen Stickstoff ist, wie im Beispiel der Figuren 12 bis 24, ist eine längere Wärmetauscherregion zum Vorkühlen vorzusehen.When the cryogenic cooling gas is nitrogen, as in the example of Figures 12-24, there is a longer heat exchange region to be provided for pre-cooling.
Die oben beschriebene Kühlvorrichtung kann von besonderem Wert sein beim Kühlen größerer Computer-Chips, wie sie beispielsweise als VLSI-Chips (very large scale indecration) bekannt sind und heute mit größerer Stromkreisdichte und erhöhter Energiekapazität ausgelegt werden sollen und dadurch große Wärmemengen, d.h. 10 bis 50 Watt (Verlustleistung) ausbreiten. Das Kühlen ermöglicht es, solche Chips bei niedriger Temperatur zu betreiben, was ihren Betriebswirkungsgrad, ihre Geschwindigkeit und ihre Verläßlichkeit verbessert und ihre Lebensdauer erhöht.The cooling device described above can be of particular value in cooling larger computer chips such as these for example as VLSI chips (very large scale indecration) are known and today with greater circuit density and increased energy capacity and thus large amounts of heat, i.e. 10 to 50 watts (power loss) spread. Cooling enables such chips to operate at low temperatures, which increases their operating efficiency, speed and reliability improved and their service life increased.
Die Figuren 31 und 32 illustrieren eine Kühlvorrichtungseinheit, die aus zwei mehrlagigen Kühlvorrichtungen zwischen fünf laminierten Platten aufgebaut ist. Dieser Aufbau gestattet Kaskadenkühlung, d.h. das Vorkühlen eines Kühlmittels durch ein anderes, um entweder schnelleres Kühlen oder tiefere Temperaturen zu erreichen. Zum Beispiel kann Ammoniak in der ersten Stufe als Kühlmittel in der ersten Kaskadenstufe mit den Lagen 294 benutzt werden,um Stickstoff in der zweiten Kaskadenstufe mit den Lagen 295 vorzukühlen. Hierdurch wird das Abkühlen des Stickstoffs um einen Faktor "3" oder mehr vergrößert. Als anderes Beispiel könnteFigures 31 and 32 illustrate a cooling device unit, which consists of two multilayer cooling devices between consists of five laminated panels. This structure allows cascade cooling, that is, pre-cooling of a coolant by another to achieve either faster cooling or lower temperatures. For example can Ammonia in the first stage as a coolant in the first cascade stage with the layers 294 are used to nitrogen pre-cool in the second cascade stage with layers 295. This will cool down the nitrogen by a factor "3" or more enlarged. As another example, could
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Stickstoff in der kürzeren Stufe mit den Lagen 294 benutzt werden, um Wasserstoff vorzukühlen, der dann bis 20° K kühlt. Kühlmittel mit niedrigem Siedepunkt, beispielsweise Wasserstoff und Helium kühlen nicht im Joule-Thomson-Kreis, wenn sie nicht auf solche Weise auf geeignete Temperatur vorgekühlt werden. Kühlvorrichtungen mit drei oder mehr Stufen können in ähnlicher Weise aufgebaut werden.Nitrogen in the shorter stage with layers 294 can be used to pre-cool hydrogen, which is then up to 20 ° K cools. Coolants with a low boiling point, e.g. hydrogen and helium, do not cool in the Joule-Thomson cycle, unless they are precooled in such a way to a suitable temperature. Cooling devices with three or more stages can be constructed in a similar manner.
Andere Kanalabmessungen können solche sein, wie sie in Verbindung mit den Ausführungsformen nach Figur 1 bis erläutert worden sind. Die Ausbildung der Kanäle und das Verbinden der Platte werden erreicht durch Verfahrensweisen und Verbindungsmaterialien, wie sie in Verbindung mit diesen Ausführungsformen beschrieben worden sind.Other channel dimensions can be those as they are in connection with the embodiments according to FIGS have been explained. The formation of the channels and the joining of the plate are achieved by procedures and connecting materials as described in connection with these embodiments.
Wie gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung gefunden wurde, besteht ein Zusammenhang zwischen dem Wirkungsgrad des Wärmetauschers und dem Temperaturminimum, das im Kühlabschnitt der Kühlvorrichtung erreichbar ist. Diese Minimumtemperatur wird bestimmt durch den Gasdruck an dem Punkt, an welchem das Gas aus der Kühlkammer austritt. Je niedriger der Druck an diesem Punkt ist, desto niedriger ist die erreichbare Minimumtemperatur. Andererseits ist der Wärmetauscher-Wirkungsgrad eine Funktion des Druckabfalles längs des Ausströmungskanals. Eine Erhöhung im DruckabfallAs was found according to another aspect of the invention, there is a relationship between the efficiency of the Heat exchanger and the minimum temperature that can be achieved in the cooling section of the cooling device. This minimum temperature is determined by the gas pressure at the point at which the gas exits the cooling chamber. The lower the pressure at this point, the lower the attainable minimum temperature. On the other hand is the heat exchanger efficiency a function of the pressure drop across the outflow channel. An increase in pressure drop
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erhöht den Wirkungsgrad des Wärmetauschers. So müßte der Druck, mit dem das Gas die Kühlkammer verläßt, relativ hoch sein, um einen wirksamen Wärmeaustausch zu erreichen, der zu schnellerem Abkühlen und/oder geringerem Gasverbrauch führt. Umgekehrt müßte zum Erreichen eines maximalen Temperaturabfalls in der Kühlkammer der Gasdruck an dem gleichen Punkt relativ hoch sein.increases the efficiency of the heat exchanger. The pressure at which the gas leaves the cooling chamber would have to be relatively high in order to achieve an effective heat exchange, which leads to faster cooling and / or lower gas consumption. Conversely, in order to achieve a maximum temperature drop in the cooling chamber, the gas pressure at the same point would have to be relatively high.
Die Ausführungsformen nach den Figuren 33 und 34 bieten eine wirksame Lösung dieses Problems. In jeder dieser Ausführungsformen sind zwei Kapillarabschnitte vorgesehen, und ein Teil des einströmenden Gases wird direkt in den Ausströmungskanal des Wärmetauschers nach Durchfließen eines der Kapillarabschnitte abgezweigt, um so die Kühlkammer teilweise kurzzuschließen.The embodiments according to FIGS. 33 and 34 offer an effective solution to this problem. In each of these Embodiments are provided with two capillary sections, and part of the inflowing gas is directly into the The outflow channel of the heat exchanger is branched off after flowing through one of the capillary sections, so as to create the cooling chamber partially short-circuited.
Die Ausführungsform nach Figur 33 enthält einen Stapel von vier Platten 300, 302, 304 und 406, die aus gleichen Materialien bestehen können und in gleicher Weise miteinander verbunden sind, wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen. In dieser Ausführungsform sind zwei Kapillarabschnitte 308 und 310 in Reihenanordnung vorgesehen.The embodiment of Figure 33 includes a stack of four plates 300, 302, 304 and 406 made of the same materials can exist and are connected to one another in the same way as in the previously described embodiments. In this embodiment, two capillary sections 308 and 310 are provided in series.
Zwischen den beiden Kapillarabschnitten ist ein kleiner Durchlaß 312 vorgesehen, der in das oberstromseitige Ende des für den Wärmetauscher in der Platte 300 gebildeten Ausströmungskanals 314 führt. Das unterstromseitige EndeA small passage 312 is provided between the two capillary sections, which into the upstream side End of the outflow channel 314 formed for the heat exchanger in the plate 300 leads. The downstream end
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Dipl.-Phys. Heinrich Seids . Patentanwalt ■ Blerstadter Höhe 15 · Postfach 5105 · 6200 Wiesbaden 1 ■ & (06121) 562022 Dipl.-Phys. Heinrich Seids. Patent attorney ■ Blerstadter Höhe 15 · P.O. Box 5105 · 6200 Wiesbaden 1 ■ & (06121) 562022
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des zweiten Kapillarabschnittes 310 ist mit der Kühlkammer 516 verbunden, die wiederum über einen Durchlaß 318 mit einem zweiten Ausströmungskanal 320 verbunden ist, welcher an der mit Vertiefung versehenen Oberfläche der Platte 304 gebildet ist. In der Platte 304 sind Rippen 322 vorgesehen, um der Einheit die erforderliche Steifigkeit zu geben und gleichförmigen Abstand zwischen den Platten 304 und 3O6 sicherzustellen.of the second capillary section 310 is connected to the cooling chamber 516, which in turn via a passage 318 with a second outflow channel 320 connected to the recessed surface of the plate 304 is formed. Ribs 322 are provided in plate 304 to give the unit the required rigidity give and uniform spacing between plates 304 and 3O6 to ensure.
Im Betrieb strömt Gas unter hohem Druck durch den Einströ-During operation, gas flows under high pressure through the inlet
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mungsabschnitt/des Wärmetauschers und expandiert und fällt im Druck ab, während es durch den ersten Kapillarabschnitt
308 zum Durchlaß 320 strömt. An diesem Punkt wird die Gasströmung geteilt, so daß ein beträchtlicher Teil
des Gases durch den Durchlaß 312 direkt in den Ausström- und Wärmetauscherkanal 314 fließt.324
tion section / of the heat exchanger and expands and drops in pressure as it flows through the first capillary section 308 to the passage 320. At this point the gas flow is split so that a substantial portion of the gas flows through passage 312 directly into exhaust and heat exchange duct 314.
Der Durchlaß 312 und der Ausströmkanal 314 sind so dimensioniert, daß an dem Durchlaß 312 relativ hoher Druck aufrecht erhalten wird, im typischen Fall 10 bis 30 bar. Dementsprechend erfolgt ein großer Druckabfall im Ausströmabschnitt 314 des Wärmetauschers und erzeugt einen hohen Wirkungsgrad der Wärmetauscherfunktion.The passage 312 and the outflow channel 314 are dimensioned so that a relatively high pressure is maintained at the passage 312 is obtained, typically 10 to 30 bar. Accordingly, there is a large pressure drop in the outflow section 314 of the heat exchanger and creates a high efficiency of the heat exchanger function.
Der Rest des Gases strömt durch den zweiten Kapillarabschnitt 310 in die Kühlkammer 316. Hier übernimmt das GasThe rest of the gas flows through the second capillary section 310 into the cooling chamber 316. Here the gas takes over
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Wärme von dem zu kühlenden Gegenstand und fließt dann durch den Durchlaß 318 und durch den zweiten Ausströmkanal 320 mit relativ niedrigem Druck, im typischen Fall 2 bis 3 bar nach außen ab. Dieser Niederdruck stellt sicher, daß der gewünschte niedrige Druck in der Kühlkammer erreicht wird.Heat from the object to be cooled and then flows through the passage 318 and through the second outflow channel 320 at a relatively low pressure, typically 2 to 3 bar to the outside. This low pressure ensures that the desired low pressure in the cooling chamber is achieved.
Es wurde gefunden, daß beides, nämlich hoher Wirkungsgrad des Wärmetauschers und gewünschte Kühlung erreicht werden, wenn man gestattet, daß zwischen 50% bis zu 95% des Gases durch den Durchlaß 312 und den Ausströmkanal 314 des Wärmetauschers abströmen.It has been found that both, namely high efficiency of the heat exchanger and the desired cooling can be achieved, if one allows between 50% up to 95% of the gas through the passage 312 and the outflow channel 314 of the heat exchanger.
Figur 34 illustriert eine Platte 325, die anstelle der Platte 302 in der Ausführungsform nach Figur 33 eingesetzt werden kann, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen. In dieser Ausführungsform sind die beiden Kapillarabschnitte 326 und 328 im Unterschied zur Ausführungsform nach Figur 33 eher parallel als in Reihe angeordnet. Das einströmendeFIG. 34 illustrates a plate 325 which is used instead of the plate 302 in the embodiment according to FIG can be used to achieve similar results. In this embodiment the two are capillary sections 326 and 328 in contrast to the embodiment according to FIG 33 arranged in parallel rather than in series. The incoming
324 Gas tritt durch den Einströmabschnitt/des Wärmetauschers324 Gas passes through the inflow section / heat exchanger
durch den ersten Kapillarabschnitt 326 und durch den Durchlaß 312, um zu dem ersten Ausströmkanal 314 des Wärmetauschers zu gelangen. Der Rest des Gases tritt durch den zweiten Kapillarabschnitt 328 in die Kühlkammer 316 und von dort in den zweiten Ausströmkanal 320. Wie bei der ersten Möglichkeit werden auch hier gute Ergebnisse er-through the first capillary section 326 and through the passage 312 to reach the first outflow channel 314 of the To reach the heat exchanger. The remainder of the gas enters the cooling chamber 316 through the second capillary section 328 and from there into the second outflow channel 320. As with the first option, good results are achieved here too.
Dipl.-Phys. Heinrich Seid» · Patentanwalt · Blerctadter Höhe 15 ■ Postfach 5105 · 6Z0O Wicfbaden 1 · flp (06121) 56 2022Dipl.-Phys. Heinrich Seid »· Patent attorney · Blerctadter Höhe 15 ■ PO Box 5105 · 6Z0O Wicfbaden 1 · flp (06121) 56 2022
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zielt, wenn man zwischen 50% bis 95% des ankommenden Gases durch den Durchlaß 312 strömen läßt.aims when you get between 50% to 95% of the incoming Gas can flow through passage 312.
Andere Kanaldimensionen oder andere Charakteristiken der Kühlvorrichtung können, wie oben beschrieben, vorgesehen sein. Die Bildung der Kanäle und das Verbinden der Platten kann in diesen Ausführungsformen mit den gleichen Arbeitsweisen und mit dem gleichen Verbindungsmaterial erreicht werden wie oben beschrieben.Other channel dimensions or other characteristics of the cooling device can, as described above, be provided be. The formation of the channels and the connection of the plates can be carried out in the same way in these embodiments and can be achieved with the same connecting material as described above.
-bg--bg-
PATENTANWALT DIPL-PHYS. HEINRICH SEIDS Wiesbaden 1 ■ Bierstadter Höhe 15 · Postfach 5105 ' Telefon (o 6121) 56 20 Postscheck Frankfurt/Main ίδιο o8 - 602 · Bank Deutsche Bank 706 571 · Nass. Sparkasse 120 040 PATENT ADVOCATE DIPL-PHYS. HEINRICH SEIDS Wiesbaden 1 ■ Bierstadter Höhe 15 · Postfach 5105 'Telephone (o 6121) 56 20 Postscheck Frankfurt / Main ίδιο o8 - 602 · Bank Deutsche Bank 706 571 · Nass. Sparkasse 120 040
Wiesbaden, den 23. April 1982 L 294 VNR: 107565 S/haWiesbaden, April 23, 1982 L 294 VNR: 107565 S / ha
William A. LITTLE
Crescent Drive
Palo Alto, Californien U.S.A.William A. LITTLE
Crescent Drive
Palo Alto, California USA
Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtung und Verfahren zu ihrer HerstellungMicro miniature cooling device and method for their manufacture
Priorität: USA PatentanmeldungPriority: USA patent application
354,616 vom 04. März 1982354,616 of March 4, 1982
USA Patentanmeldung 259,688 vom 01. Mai 1981U.S. Patent Application 259,688, dated May 1, 1981
USA Patentanmeldung 259,687 vom 01. Mai 1981U.S. Patent Application 259,687 dated May 1, 1981
BezugszeichenlisteList of reference symbols
Dipl.-Phys. Heinrich Seide ■ Palentanwalt · Bierstadter Höhe 15 ■ Postfach 5105 ■ 6200 Wiesbaden 1 ■ Q? (06121) 56 2022 Dipl.-Phys. Heinrich Silk ■ Palentanwalt · Bierstadter Höhe 15 ■ PO Box 5105 ■ 6200 Wiesbaden 1 ■ Q? (06121) 56 2022
: Dipl.-Phys. Heinrich Seids · Patentanwalt ■ BlerstadterHöhe" 15 ■ Postfach 5105 · 6200 Wiesbaden 1 ■ 3? (06121) 56 20 22 : Dipl.-Phys. Heinrich Seids · Patent Attorney ■ BlerstadterHöhe "15 ■ Postfach 5105 · 6200 Wiesbaden 1 ■ 3? (06121) 56 20 22
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Dipl.-Phys. Heinrich Seid» · Patentanwalt ■ Bieretadter Höhe 15 · Postfach 5105 · 6200 Wiesbaden 1 . GP (0 6121) 56 2022Dipl.-Phys. Heinrich Seid »· Patent attorney ■ Bieretadter Höhe 15 · PO Box 5105 · 6200 Wiesbaden 1. GP (0 6121) 56 2022
Dipl.-Phye. Heinrich Seide. Patentanwalt · Blerstadter Höhe IS · Postfach SlOS ■ 6200 Wiesbaden 1 · <S? (06121) 56 20 Dipl.-Phye. Heinrich Silk. Patent attorney · Blerstadter Höhe IS · Postfach SlOS ■ 6200 Wiesbaden 1 · <S? (06121) 56 20
_ Sf — _ Sf -
288
289287
288
289
ober Fläche
Nutsurface
surface
Groove
*308
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Dipl.-Phys. Heinrich Seids ■ Patentanwalt ■ Bicrstadlcr Höhe 15 · Postfach 5105 · 62CfO Wleibaden 1 ■ QP (061 21) 56 2022 Dipl.-Phys. Heinrich Seids ■ Patent Attorney ■ Bicrstadlcr Höhe 15 · Postfach 5105 · 62CfO Wleibaden 1 ■ QP (061 21) 56 2022
- fr -- fr -
318 Durchlaß318 passage
320 Ausströmungskanal320 outflow channel
322 Rippen322 ribs
324 Einströmabschnitt324 inlet section
325 Platte325 plate
326 Kapillarabschnitt 328 Kapillarabschnitt326 capillary section 328 capillary section
Claims (16)
c) Ausbildung von nutenförmigen Kanälen und Vertiefun~- b) determining a flow pattern in this resistant material by lithographic covering and selective etching and accordingly exposing the underlying surface of the glass plate in this pattern;
c) Formation of groove-shaped channels and indentations
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