DE3825907A1 - Auf mikromechanischem wege hergestellte kuehlvorrichtung, insbesondere plattenkuehler - Google Patents

Auf mikromechanischem wege hergestellte kuehlvorrichtung, insbesondere plattenkuehler

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für einen mikromechanischen Joule-Thomson-Kühler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Nach dem bisherigen Stand der Technik befinden sich auf dem Markt ver­ schiedene Ausführungen von miniaturisierten Joule-Thomson-Kühlern. Sie zeichnen sich alle durch sehr hohe Stückkosten aus.
Ein am Markt erhältlicher Joule-Thomson-Kühler (z.B. Fa. Hymatik) be­ sitzt eine sehr lange Metallspirale, die auf der Oberfläche eines Kegels aufgewickelt ist. Die Gesamtanordnung befindet sich in einem Dewar-Ge­ häuse, wobei das expandierte Gas großflächig über die mit Kühlrippen versehene Metallspirale zwischen Dewarwand und Kegeloberfläche zurück­ strömt.
Eine andere Anordnung, die von W.A. Little (AIP Proceedings of Future Trends in Superconductive Electronics; p. 421, University of Virginia, Charlottesville, 1978, veröffentlicht wurde, besteht aus mehreren, zu­ sammengeklebten Glasplatten, in die laterale Kühlkanäle eingearbeitet wurden. Diese Kühler sind relativ wenig effektiv, da aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Glases der Wirkungsgrad des Wärme­ tauschers begrenzt ist.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen miniaturisierten Joule-Thomson-Kühler zu schaffen, der kostengünstig herstellbar ist und eine gesteigerte Kühlleistung erbringt.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem im Unterschied zu bekannten, bei diesem Miniaturkühler die Kühlkanäle eines Plattenwärmetauschers vertikal in einem dünnen Substrat angeordnet sind. Dieses Substrat wird (sandwich­ artig) von zwei Deckplatten eingeschlossen, in die Verbindungskanäle eingearbeitet sind, die die vertikalen Kanäle des Substrates, im Quer­ schnitt gesehen, zu einem Mäander schließen. Die einzelnen Zellen des Wärmetauschers werden auf dem Substrat (von oben betrachtet) spiralen­ förmig angeordnet. Im Zentrum des Substrates liegt eine Expansionskam­ mer, in der die Hauptkühlleistung erzeugt wird. Das hochkomprimierte Gas mäandert auf der Wärmetauscherspirale von außen nach innen, expandiert in der zentralen Expansionskammer, und wird dann im Gegenstrom über Kanäle mit wesentlichen erweitertem Querschnitt auf der Spirale wieder nach außen geführt, wobei es das einströmende Gas bereits vorkühlt. Um den großen radialen Temperaturgradienten über das Substrat aufrechter­ halten zu können und die Verluste durch Wärmeleitung im Substrat und in den Deckplatten möglichst klein zu halten, werden zwischen den einzelnen Armen der Spiralen vertikale Trennkanäle eingearbeitet. Die Gesamtanord­ nung wird oben und unten mit zwei Isolierplatten mit möglichst geringer Wärmeleitung versehen (z.B. Glas). Es können auch Glasdeckplatten direkt mit der zentralen Platte verbunden sein (sandwichartig).
Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Kühlung von Infrarot-CCD′s. Als Kühlmedium wird ein hochkomprimiertes Gas (z.B. Stickstoff) verwen­ det, wobei als Grenztemperatur der Siedepunkt des Gases erreicht werden kann (in der zentralen Expansionskammer).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt durch den Joule-Thomson-Kühler im Bereich der Hochdruckkanäle,
Fig. 2 Draufsicht auf eine elementare Wärmetauscherzelle des Joule-Thomson-Kühlers im Bereich der zentralen Siliziumscheibe,
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Joule-Thomson-Kühler im Bereich der Niederdruckkanäle,
Fig. 4 eine Gesamtanordnung der elementaren Wärmetauscherzellen sowie der Expansionskammer im Zentrum der Siliziumscheibe.
Im folgenden wird eine Ausführungsform des Joule-Thomson-Kühlers be­ schrieben. Die Gesamtanordnung besteht aus drei bearbeiteten Silizium­ scheiben 1 bis 3, die miteinander verbunden werden und zwei Deckplatten, z.B. aus Glas 4, 5, die ihrerseits mit den Siliziumscheiben verbunden werden gemäß Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt der Gesamtanordnung durch die kleineren Kühlkanäle 6. In den oberen und unteren Siliziumscheiben werden Ver­ tiefungen 10 hineingeätzt, die die Kanäle der zentralen Siliziumscheibe zu Mäandern schließen. Diese Vertiefungen werden ebenfalls in (110) Siliziumscheiben hineingeätzt, wobei deren Tiefe durch die Kristallo­ graphie selbstständig begrenzt wird. Das Ätzen erfolgt anisotropisch im Batchverfahren.
In die zentrale Siliziumscheibe sind vertikale Kanäle 6 eingearbeitet, die das hin- und rückströmende Gas führen und gleichzeitig durch die dünnen Trennwände als Wärmetauscher dienen. Eine elementare Zelle dieses Wärmetauschers ist in Fig. 2 dargestellt. Die inneren, kleineren Kanäle 6 führen das komprimierte (z.B. typischerweise auf 50-100 bar), hin­ strömende Gas. Die äußeren, großen Kanäle 7 sind untereinander verbun­ den, so daß sie einen Kanal mit großem Querschnitt für das rückströ­ mende, expandierte Gas bilden. Die Trennwände im Außenbereich 8 haben lediglich die Aufgabe, für einen möglichst effektiven Wärmeaustausch und mechanische Stabilität zu sorgen. Die stärker ausgelegten Wände zwischen Hoch- und Niederdruckkanälen 9 müssen die gesamte Druckdifferenz auffan­ gen und gleichzeitig einen guten Wärmeübergang ermöglichen. Die spe­ zielle Geometrie der Kanäle ist bei dieser Ausführung durch die kristal­ line Struktur des Siliziums bedingt, mit senkrechten (111) Ebenen auf (110) Scheiben.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch den äußeren Bereich der Kanäle 7 für das rückströmende Gas. Hier werden die äußeren Siliziumscheiben 11 vollständig durchgeätzt, um einen möglichst großen Querschnitt für die Mäander des expandierten Gases zu bekommen.
Die Gesamtanordnung der einzelnen Wärmetauscherzellen auf der zentralen Siliziumscheibe ist in Fig. 4 dargestellt. Die Zellen werden nebeneinan­ der angeordnet und spiralenförmig vom Außenbereich in das Zentrum der Scheibe geführt. In der Scheibenmitte befindet sich eine Expansionskam­ mer 12, in der die Kühlleistung erzeugt wird. Über dieser Kammer kann z.B. unmittelbar ein zu kühlendes Siliziumchip o.ä. Halbleiter- oder IC′s angeordnet werden. Die einzelnen Spiralarme werden untereinander durch Trennkanäle 13 thermisch isoliert.
Der neuartige mikromechanische Joule-Thomson-Kühler zeichnet sich gegen­ über den bestehenden Systemen vor allem dadurch aus, daß er mit den be­ kannten Batch-Prozeßverfahren der Mikromechanik, wie sie bei der Her­ stellung von Halbleiterbauelementen angewandt werden, wesentlich bil­ liger hergestellt werden kann. Ferner ist aufgrund der vertikalen Anord­ nung der Kühlkanäle und der häufigen Mäander eine sehr gute Verwirbelung des Gases und damit ein hoher Wirkungsgrad des Wärmetauschers zu erwar­ ten. Des weiteren kann ein zu kühlendes Halbleiterchip unmittelbar in die System- oder Gesamtanordnung integriert werden, so daß die Kälte­ leistung ohne weitere Trennwände direkt am Chip entsteht.
"Joule-Thomson Effekt" siehe R. Plank: Handbuch der Kältetechnik und LINDE-Verfahren für die Herstellung von Flüssiggas (N2).
Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines bestimmten Kühlmediums für den Wärmetausch beschränkt. Außerdem ist die Führung der Kühlmedien nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.

Claims (10)

1. Vorrichtung für einen mikromechanischen Joule-Thomson-Kühler, dadurch gekennzeichnet, daß in einer zentral (sandwichartig) angeord­ neten Platte vertikale Kanäle sowie eine Expansionskammer eingelassen sind und diese Platte mit mindestens je einer oberen und unteren Deck­ platte verbunden ist, die ihrerseits Vertiefungen enthalten, derart daß die vertikalen Kanäle der zentralen Platte mäanderförmig geschlossen werden, so daß je ein Hinström- und ein Rückströmkanal zur und von der Expansionskammer entstehen und weiterhin diese Kanäle so geleitet wer­ den, daß ein inniger Wärmeaustauschkontakt zwischen beiden entgegenge­ setzt laufenden Strömen entsteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mäanderförmig verbundenen Kanäle spiralförmig von außen nach innen bzw. umgekehrt zu einer zentral angeordneten Expansionskammer laufen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Spiralabschnitte in der zentralen Platte durch Längskanäle voneinander weitgehend thermisch isoliert sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kanäle in der mittleren Platte von Rippen, Stegen o.ä. begrenzt sind, die senkrecht zur Plattenebene/Plattenoberfläche herausgearbeitet sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle in einem Rastermaß angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle in einem Rastermaß angeordnet sind das vom Zentrum nach außen hin größer wird.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle die außen liegen einen wesentlichen größeren Querschnitt aufweisen als die inneren.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Platte aus einem kristallinen Material, insbesondere Silizium der Oberflächenorientierung (110) besteht, in die insbesondere durch anisotropes Ätzen die Kanäle für das Durchströmen des Mediums eingear­ beitet sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumplatte aus (110)-Silizium gebildet ist und von je einer Isolierscheibe abgedeckt wird.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Siliziumscheiben und/oder äußere isolierende, insbesondere Glasabdeckscheiben, fest und direkt insbesondere anodisch miteinander verbunden sind.
DE3825907A 1988-06-01 1988-07-29 Auf mikromechanischem wege hergestellte kuehlvorrichtung, insbesondere plattenkuehler Ceased DE3825907A1 (de)

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WO2012033443A1 (en) * 2010-09-06 2012-03-15 Chromalytica Ab Combination of spectrograph barrier gas, carrier gas and cooling of ccd

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