DE60030287T2

DE60030287T2 - Mikro-kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE60030287T2
Application number: DE60030287T
Authority: DE
Inventors: Jung Hyun Lee
Original assignee: iCurie Lab Holdings Ltd
Current assignee: CELSIA TECHNOLOGIES INC., MIAMI, FLA., US
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2020-05-31
Also published as: ATE337697T1; TW495660B; EP1192524A1; KR20010000110A; CN1363057A; US6698502B1; KR100294317B1; RU2247912C2; CN1182454C; WO2000075764A1; DE60030287D1; JP3202014B2; EP1192524B1; EP1192524A4; JP2001035980A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikro-Kühlvorrichtung zur Ableitung nicht benötigter Wärme und insbesondere eine Mikro-Kühlvorrichtung für ein elektronisches Produkt, das unnötige Wärme erzeugt trotz einer geringen Produktgröße, wie zum Beispiel eine integrierte Schaltungsvorrichtung.
KURZE BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Aufgrund der großen Wärmemenge, die von einer integrierten Schaltungsvorrichtung wie einer kürzlich entwickelten zentralen Prozessoreinheit (CPU), erzeugt wird, verschlechtert sich die Produktzuverlässigkeit der Vorrichtung selbst und eines Systems, das sie enthält. Insbesondere in einer Halbleitervorrichtung werden eine Reihe von Parametern von der Betriebstemperatur beeinflusst, so dass ihre Werte verändert werden, wodurch in der Vorrichtung ein Problem verursacht wird, das die Leistungsfähigkeit der integrierten Schaltung verschlechtert.
Ein repräsentatives herkömmliches Verfahren zur Lösung des genannten Problems ist die Verwendung eines Lüfters um die Vorrichtung zwangsweise abzukühlen. Das genannte Verfahren weist jedoch eigene Probleme auf, wie eine geringe Kühleffizienz, die Einführung einer zusätzlichen wärmeerzeugenden Quelle wie zum Beispiel einer Stromquelle für den Lüfter und vom Lüfter selbst erzeugte, zusätzliche Wärme.
Ein anderes Verfahren mit einer höheren Kühleffizienz besteht darin, Wärme durch Phasenänderung eines flüssigen Materials ("Kühlmittel") abzuleiten. Mit anderen Worten wird ein als Kühlmittel verwendetes flüssiges Material über eine wärmeerzeugende Quelle geleitet und in Gas umgewandelt, um mit seiner Verdampfungsenergie Wärme abzuleiten, was in Kühlschränken und Klimaanlagen in weitem Umfang verwendet wird. Auch dieses genannte Verfahren weist ein Problem auf, das darin besteht, dass zur Kondensation des verdampften (oder gasförmigen) Kühlmittels, eine Reihe von Einrichtungen zusätzlich installiert werden müssen, wodurch der Raumbedarf und der Stromverbrauch des Gesamtsystems erhöht werden.
Kürzlich wurde eine Kühlvorrichtung sehr kompakter Bauweise, ein sogenanntes Wärmerohr entwickelt, bei dem Phasenänderungen eines flüssigen Materials und das Phänomen der natürlichen Konvektion eingesetzt werden. Selbst wenn es verschiedene Arten von Wärmerohren gibt, wird ein Wärmerohr der Doppelrohrbauweise mit inneren und äußeren Rohren als wirksame Kühlvorrichtung vorgestellt. Bei der Doppelrohrbauweise wird das äußere Rohr mit Kühlmittel befüllt und die Wandung des inneren Rohrs weist eine Vielzahl kleiner Löcher auf, die einen Durchgang aus dem Innern des inneren Rohres zum äußeren Rohr bilden. Wenn Wärme von der Wärmequelle auf das äußere Rohr übertragen wird, wird das Kühlmittel im äußeren Rohr durch Absorption der Wärme in Gas umgewandelt, und das verdampfte Kühlmittel dringt durch die Löcher am inneren Rohr in das Innere des inneren Rohres. Das Gas im inneren Rohr wird durch unterschiedlichen Auftrieb und unterschiedlichen Luftdruck weiter zum gegenüberliegenden Ende des inneren Rohres bewegt. Am gegenüberliegenden Ende des inneren Rohres kondensiert das Kühlmittel zu Flüssigkeit. Die Flüssigkeit bewegt sich durch die Löcher der inneren Rohre zum äußeren Rohr und kehrt schließlich an den ursprünglichen Ort des Kühlmittels zurück.
Das nach dem genannten Prinzip hergestellte Wärmerohr ist klein und hat eine günstige Kühleffizienz. Da die Bewegung des Kühlgases im Inneren des Rohrs von Unterschieden in Auftrieb und Luftdruck abhängig ist und die Bewegung des flüssigen Kühlmittels von der Schwerkraft, liegt jedoch eine Beschränkung vor bezüglich der Einbaulage oder der Einbauposition des Wärmerohrs. Da das Wärmerohr in einer Anordnung ausgeführt sein sollte, in der das Kühlmittel an dem der wärmeerzeugenden Quelle gegenüberliegenden Ende kondensiert wird, wird außerdem bei kleinerer Baugröße des Wärmerohrs seine Kühleffizienz geringer und seine Leistungsfähigkeit schwächer. P. M. CONNORS ET AL.; "Flat Type Heat Pipes. August 1975." IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN, vol. 18, no. 3, 1 August 1975 (1975-08-01), Seiten 675–676, XP002285228 New York, US offenbart ein Beispiel für ein Wärmerohr in einer flachen Form.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die genannten Probleme der herkömmlichen Kühlvorrichtungen zu lösen und eine Mikro-Kühlvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die sehr klein hergestellt werden kann, aber hohe Kühlungsleistungen erbringt.
Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung mit hohem Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen, bei der keine Einschränkung bezüglich der Einbaulage oder Einbauposition besteht und die nicht durch Schwerkraft beeinflusst wird.
Um die genannten Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu erfüllen, ist eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die durch eine wärmeerzeugende Quelle erzeugte Wärme ableitet, wobei diese Vorrichtung folgendes umfasst: einen kühlmittelspeichernden Teil, um flüssiges Kühlmittel zu speichern; einen wärmeabsorbierenden Teil, der mindestens einen Mikrokanal aufweist und so angeordnet ist, dass er dicht an der wärmeerzeugenden Quelle positioniert ist und der mit dem kühlmittelspeichernden Teil verbunden ist, wobei das flüssige Kühlmittel teilweise in den ersten Mikrokanal durch Oberflächenspannung gefüllt ist und in diesem Mikrokanal zu gasförmigem Kühlmittel verdampft, wenn Wärme von der wärmeerzeugenden Quelle absorbiert wird; einen wärmeisolierenden Teil, der benachbart zu dem wärmeabsorbierenden Teil angeordnet ist, um die Übertragung der von dem wärmeabsorbierenden Teil absorbierten Wärme auf andere Bereiche einzudämmen; einen Kondensationsteil zum Kondensieren des gasförmigen Kühlmittels, der getrennt von dem wärmeabsorbierenden Teil angeordnet ist; einen Gasdurchtrittsteil, der nahe dem wärmeabsorbierenden Teil und dem Kondensationsteil angeordnet ist und der als Durchgang vorgesehen ist, durch den das gasförmige Kühlmittel von dem wärmeabsorbierenden Teil zu dem Kondensationsteil hindurchtritt; und ein Gehäuse, in dem zumindest der wärmeabsorbierende Teil untergebracht ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Aufgaben und Aspekte der Erfindung werden ersichtlich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen:
1 eine schematische Querschnittsansicht ist, die eine Kühlvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt entlang der XZ-Ebene darstellt;
2 eine Querschnittsansicht der in 1 dargestellten Kühlvorrichtung längs der Linie a-a' ist;
3 eine vergrößerte schematische Ansicht ist, die einen Mikrokanal im wärmeabsorbierenden Teil der in 1 gezeigten Kühlvorrichtung veranschaulicht; und
4 eine Querschnittsansicht ist, die die Kühlvorrichtung 100' gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt entlang der XZ-Ebene darstellt;
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Kühlvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt in der XZ-Ebene darstellt; Die Kühlvorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung umfasst einen kühlmittelspeichernden Teil 102 zum Speichern von flüssigem Kühlmittel (in der Zeichnung durch Wellenmuster kenntlich gemacht) und einen wärmeabsorbierenden Teil 106, der nahe dem kühlmittelspeichernden Teil 102 und an die wärmeerzeugende Quelle (nicht dargestellt) grenzend angeordnet ist. Der wärmeabsorbierende Teil 106 umfasst eine Vielzahl von Mikrokanälen 114 (in der Zeichnung durch schräge Linien kenntlich gemacht). Das in dem kühlmittelspeichernden Teil 102 gespeicherte Kühlmittel ist teilweise gemäß dem Phänomen der Kapillarkräfte durch die Oberflächenspannung in jeden der Mikrokanäle in die Mikrokanäle 114 gefüllt.
Die Kühlvorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung umfasst ferner einen Gasdurchtrittsteil 104, der dem kühlmittelspeichernden Teil 102 gegenüberliegend und durch den wärmeabsorbierenden Teil 106 getrennt angeordnet ist. Ferner umfasst die Kühlvorrichtung 100 einen wärmeisolierenden Teil 108, der an den wärmeabsorbierenden Teil 106 angrenzend angeordnet ist, um die Übertragung der Wärme auf die anderen Teile einzudämmen. Weiterhin umfasst die Kühlvorrichtung einen Kondensationsteil 110, der dem wärmeabsorbierenden Teil 106 gegenüberliegend und in der Z-Achse durch den wärmeisolierenden Teil 108 getrennt angeordnet ist.
Vorzugsweise sind der kühlmittelspeichernde Teil 102, der wärmeabsorbierende Teil 106, der Gasdurchtrittsteil 104, der wärmeisolierende Teil 108 und der Kondensationsteil 110 in einem Gehäuse 112 ausgebildet, das eine Ausführungsform der Kühlvorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung bildet.
Um die geometrische Struktur einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung deutlicher zu beschreiben, ist in 2 eine Querschnittsansicht der Kühlvorrichtung 100 der 1 entlang der Linie a-a' dargestellt. Die Kühlvorrichtung 100 umfasst einen kühlmittelspeichernden Teil 102, der in der X-Achse von dem Gasdurchtrittsteil 104 getrennt gebildet ist, wobei der wärmeabsorbierende Teil 106 dazwischen liegt. Wie erwähnt, sind in dem wärmeabsorbierenden Teil 106 eine Vielzahl von Mikrokanälen 114 gebildet.
Als Nächstes werden bezugnehmend auf die 1 bis 3 die Betriebsabläufe der Kühlvorrichtung 100 beschrieben. Wie in 1 gezeigt, wird eine Richtung der Wärmeübertragung durch die Blockpfeile 120 und 122 dargestellt. Von der externen wärmeerzeugenden Quelle (nicht dargestellt) erzeugte Wärme wird zu dem wärmeabsorbierenden Teil 106 der Kühlvorrichtung 100 transportiert. Bevorzugt steht die externe wärmeerzeugende Quelle mit der äußeren Wandung des Gehäuses 112 der Kühlvorrichtung 100 dort in thermischem Kontakt, wo diese an den wärmeabsorbierenden Teil 106 grenzt.
Das Gehäuse 112 kann aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, die die folgenden umfassen: Halbleitermaterialien wie Silizium (Si) oder Gallium (Ga), schichtbildende Materialien wie eine selbstorganisierende Monoschicht assembled monolayer], Metalle wie Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al) oder Legierungen auf ihrer Basis, Keramikmaterialien, oder Kristallmaterialien wie Diamant. Insbesondere wenn die externe wärmeerzeugende Quelle eine Halbleitervorrichtung ist, kann die Kühlvorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung aus demselben Halbleitermaterial hergestellt sein, das für die Halbleitervorrichtung verwendet wird. Die Kühlvorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung, kann, wie weiter unten beschrieben wird, einstückig durch einen der folgenden Fertigungsprozesse hergestellt werden. Daher kann die Kühlvorrichtung 100 in derselben Größe (beispielsweise einer Fläche von einigen Quadratzentimetern oder Dutzenden von Quadratzentimetern in der XY-Ebene) hergestellt werden, wie die externe wärmeerzeugende Quelle, so dass der Wärmewiderstand in der Kühlvorrichtung 100 der vorliegende Erfindung minimiert werden kann.
Wie in 2 gezeigt, wird die von der externen wärmeerzeugenden Quelle übertragene Wärme an dem wärmeabsorbierenden Teil 106 absorbiert. Wie in 2 gezeigt, hat der wärmeabsorbierende Teil 106 eine Vielzahl von Mikrokanälen 114, und das in dem kühlmittelspeichernden Teil 102 aufgenommene Kühlmittel ist bis zu einem vorbestimmten Abschnitt der Kanäle 114 gemäß dem Phänomen der Kapillarkräfte aufgefüllt. Im Detail wird dies in 3 dargestellt. Wie in 3 gezeigt, die in vergrößerter Ansicht einen der Mikrokanäle 114 des wärmeabsorbierenden Teils 106 schematisch darstellt, füllt das Kühlmittel den Mikrokanal von dem kühlmittelspeichernden Teil 102 bis zu einer als "A" bezeichneten Position des Mikrokanals.
Die Position "A", bis zu der das Kühlmittel eingefüllt ist, hängt ab von der Art des Kühlmittels und der Abmessung der Mikrokanäle 114. Insbesondere die Art des Kühlmittels kann in Abhängigkeit vom Material des Gehäuses 112 unterschiedlich sein, da das Kühlmittel einer chemische Reaktion mit der Oberfläche der Mikrokanäle 114 oder dem Gehäuse 112 unterzogen werden kann. In Anbetracht der Umweltverschmutzung können neue FCKW-freie Kühlmittelarten bevorzugt sein. Als ein auf das Material des Gehäuses 112 abgestimmtes Kühlmittel kann beispielsweise in elektronischen Produkten wie integrierten Schaltungen bevorzugt Wasser (H₂O) oder Alkohol wie Methanol oder Ethanol gewählt werden. Die große Wärmekapazität des genannten Kühlmittels und sein kleiner Grenzflächenwinkel mit einer Halbleitervorrichtung resultieren in einer hohen Durchflussrate des Kühlmittels, um eine große Wärmemenge zu transportieren. Außerdem existieren bezüglich der Umweltverschmutzung keine Probleme. Selbst bei einem Defekt in dem Gehäuse 112 (beispielsweise einem feinen Riss an der Oberfläche des Gehäuses) ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Kühlmittel aus dem Gehäuse 112 austritt, geringer.
In der Regel ist trotz der Oberflächenspannung in einem makroskopischen System die Wirkung der Schwerkraft größer. Daher ist es schwierig, die Oberflächenspannung in einem makroskopischen System effizient zu nutzen. Damit der Einfluss der Schwerkraft vernachlässigt werden kann, wird die Baugröße des Systems verkleinert. Dementsprechend liegt die lichte Weite jedes für die Kühlvorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung geeigneten Mikrokanals 114 vorzugsweise etwa in dem Bereich von 1 nm bis 1000 μm und die Länge der Kanäle 114 etwa in dem Bereich von 0,5 bis 5 cm. Darüber hinaus kann die Querschnittsfläche jedes Mikrokanals 114 in kreisrunder, ovaler, rechteckiger, quadratischer, vieleckiger u.a. Form gebildet sein. Wie unten beschrieben, kann die Querschnittsfläche in eine vorbestimmte Richtung größer oder kleiner werden, um das Maß der Oberflächenspannung zwischen der Innenwand der Kanäle 114 und dem Kühlmittel zu steuern.
Wenn Wärme von der externen wärmeerzeugenden Quelle auf die mit Kühlmittel gefüllten Mikrokanäle 114 des wärmeabsorbierenden Teils 106 einwirkt, werden, wie oben beschrieben, durch Verdunstung eines Teils des in die Mikrokanäle 114 gefüllten Kühlmittels feine Blasen erzeugt, so dass in dem Kühlmittel Turbulenz entsteht. Derartige feine Blasen und Turbulenz in dem Kühlmittel erzeugen mehr feine Blasen (nicht dargestellt) in den Mikrokanälen 114. Diese feinen Blasen bewegen sich zu dem Gasdurchtrittsteil 104, in dem kein Kühlmittel gespeichert ist. Da die Blasen sich nur über eine Wegstrecke von mehreren Millimetern bewegen, kann der Einfluss der Schwerkraft vernachlässigt werden. Die Blasen können sich daher selbst dann, wenn der kühlmittelspeichernde Teil 102 und der Gasdurchtrittsteil 104 jeweils an einer hohen und einer tiefen Position angeordnet sind, aufgrund des Druckunterschieds in dem wärmeabsorbierenden Teil 106 von dem kühlmittelspeichernden Teil 102 zu dem Gasdurchtrittsteil 104 bewegen. Die Bewegung der Blasen wird nachstehend im Detail beschrieben.
Die vorbestimmte Richtung der erwähnten Bewegung der Blasen ist durch die Knoten 116 einstellbar, die auf der Innenfläche der Mikrokanäle 114 in dem wärmeabsorbierenden Teil 106 gebildet sind. Mit anderen Worten, wie in 3 gezeigt, stehen an der Innenfläche der Mikrokanäle 114 in einem Bereich nahe dem kühlmittelspeichernden Teil 102 eine Vielzahl von Knoten hervor. Ebenso, wie die Querschnittsfläche des Mikrokanals 114 in Richtung des Gasdurchtrittsteils 104 kleiner wird (d.h. in zunehmender Richtung der X-Achse), wird die Oberflächenspannung in dieser Richtung größer. Die genannte Zunahme der Oberflächenspannung verleiht dem Kühlmittel potenzielle Energie, die Kühlmittel von dem kühlmittelspeichernden Teil 102 in Richtung des Gasdurchtrittsteils 104 bewegt. Zusammenfassend neigen entsprechend der gerichteten potenziellen Energie des Kühlmittels die meisten der in dem Kühlmittel entstandenen Blasen dazu, sich in zunehmender Richtung der X-Achse zu bewegen.
Wie in 1 gezeigt, ist der Gasdurchtrittsteil 104 zunächst als Hohlraum gebildet. Die Blasen, die sich von dem wärmeabsorbierenden Teil 102 zu dem Gasdurchtrittsteil 104 bewegt haben, spalten sich in Gase auf (gasförmiges Kühlmittel). Da das gasförmige Kühlmittel aus dem wärmeabsorbierenden Teil 106 ausbricht, bewegt sich das gasförmige Kühlmittel zu dem Kondensationsteil 110 aufgrund des Druckunterschieds im Bereich nahe dem wärmeabsorbierenden Teil 106 und dem Kondensationsteil 110.
Da die Anzahl der Blasen in einer Volumeneinheit erhöht wird, steigt die Kühleffizienz der Kühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung. Daher ist es wünschenswert, die Möglichkeit des Entstehens solcher Blasen zu verbessern. Beispielsweise können auf der Innenfläche der Kanäle 114 in dem wärmeabsorbierenden Teil 106 eine Vielzahl von Mikro-Vertiefungen (nicht dargestellt) gebildet sein. Alternativ kann ein Mirkowellengenerator (nicht dargestellt) verwendet werden, um die Kühlvorrichtung 100 mit Mikrowellenener gie zu versorgen, damit die Kühlvorrichtung in feine Schwingungen versetzt wird, wodurch die Möglichkeit der Blasenbildung verbessert wird.
Dann verliert das Kühlgas in dem Kondensationsteil 110 seine Verdampfungsenergie und wird zu Kühlmittel in flüssigem Zustand. Um das Kühlmittel noch effizienter zu kondensieren, können an der Außenseite des Gehäuses 112, nahe dem Kondensationsteil 110 eine Vielzahl von Rippen gebildet sein. Die genannten Rippen können in mikroskopischer Größe hergestellt sein. Wenn ferner beispielsweise Mikroaktoren zusammen mit den Mikrorippen vorgesehen sind, kann die aus dem Kondensationsteil 110 abgegebene Wärme in die zirkulierende Umgebungsluft zurückgeführt werden. Oder, wenn die Rippe aus einer thermoelektrischen Vorrichtung hergestellt ist, kann die aus dem Kondensationsteil 110 abgegebene Wärme in elektrische Energie umgewandelt werden, die für andere elektronische Vorrichtungen verwendet werden kann. Außerdem kann gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Kondensationsteil 110 (beispielsweise etwa 10 mal) größer ausgebildet sein, als der wärmeabsorbierende Teil 106, so dass Konvektion von Umgebungsluft die Kondensation des gasförmigen Kühlmittels ebenfalls erleichtern kann. Ferner können Mikrorippen auf der inneren Oberfläche des Kondensationsteils 110 gebildet sein, wodurch die Kondensationseffizienz des Kühlmittels erhöht wird.
In dem Kondensationsteil 110 kondensiert das gasförmige Kühlmittel und sammelt sich als flüssiges Kühlmittel an. Wenn sich genügend flüssiges Kühlmittel angesammelt hat, bewegt sich das flüssige Kühlmittel durch die in dem Kondensationsteil 110 gebildeten Mikrokanäle zu dem kühlmittelspeichernden Teil 102. Das kondensierte Kühlmittel bewegt sich nach demselben, oben beschriebenen Prinzip zu dem kühlmittelspeichernden Teil 102. Ähnlich der Anordnung des wärmeabsorbierenden Teils 106, können die Kanäle in dem Kondensationsteil 110 in einem Bereich nahe dem Gasdurchtrittsteil 104 auf der inneren Oberfläche eine Vielzahl von Knoten 118 umfassen. Die Knoten 118 sind diesmal in einer entgegengesetzten Richtung gebildet zu denjenigen 116, die in dem wärmeabsorbierenden Teil 106 gebildet sind. Das zu Flüssigkeit kondensierte Kühlmittel wird zu dem kühlmittelspeichernden Teil 102 zurückgeführt und vollendet dadurch die Zirkulation des Kühlmittels in der Kühlvorrichtung 100.
Wie oben beschrieben, erfolgt die Zirkulation des Kühlmittels in der Kühlvorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung ohne externe Antriebskraft von selbst, insbesondere aufgrund des Phänomens der Kapillarkräfte, durch Oberflächenspannung des flüssigen Kühlmittels, frei von jeglichem Einfluss der Schwerkraft. Da der wärmeabsorbierende Teil 106 eine Vielzahl von Mikrokanälen 114 umfasst, ist in solchen Fällen die Oberflächenspannung größer, als die Schwerkraft.
Da Mikrodynamik in der vorliegenden Erfindung genutzt wird, gibt es eine Vielfalt von Verfahren zur Herstellung der Kühlvorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise kann ein MEMS-(micro-electro-mechanical-system)Verfahren verwendet werden oder ein SAM-(self assembled mono-layer)Verfahren, oder ein Fertigungsverfahren für eine hochpräzise Anordnung unter Verwendung von Laser oder Plasma.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezug auf 4 beschrieben, die eine Querschnittsansicht entlang der XZ-Ebene der Kühlvorrichtung 100' darstellt gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in der Zeichnung gezeigt, kann die Kühlvorrichtung 100' in einer Mehrschichtstruktur gebildet sein durch Erweiterung der Einschichtstruktur der Kühlvorrichtung 100.
Die Kühlmittelzirkulation der Kühlvorrichtung 100' erfolgt wie nachstehend beschrieben. Das Kühlmittel wird durch die in dem wärmeabsorbierenden Teil 100' absorbierte Wärme in Gas umgewandelt und das gasförmige Kühlmittel beginnt, sich durch denselben, bei der Einschichtstruktur der Kühlvorrichtung 100 beschriebenen Mechanismus zu bewegen. Dann wird der kühlmittelspeichernde Teil 102' aus dem Kondensationsteil 110' nach dem Kontinuitätsgesetz mit der Menge an Kühlmittel wiederaufgefüllt, die aus dem kühlmittelspeichernden Teil 102' abgelaufen ist. Das gasförmige Kühlmittel wird im Kondensationsteil 110' wieder in flüssiges Kühlmittel umgewandelt, durch den Gasdurchtrittsteil 104', so dass die Menge des Kühlmittels, die von dem Kondensationsteil 110' in den kühlmittelspeichernden Teil 102' geflossen ist, kompensiert wird. Dadurch wird die Zirkulation des Kühlmittels in der Kühlvorrichtung 100' vollendet.
Wie in der Zeichnung gezeigt, unterscheidet sich die Kühlvorrichtung 100' von der Kühlvorrichtung 100 durch die Mehrschichtstruktur des Kondensationsteils 110', wobei jedoch alle wesentlichen Prinzipien, wie die Zirkulation des Kühlmittels, Phasenänderungen oder Wärmeerzeugung in beiden Kühlvorrichtungen 100 und 100' dieselben sind. Die Mehrschichtstruktur des Kondensationsteils 110' umfasst eine Vielzahl von Mikrokanälen (schräg gestrichelte Bereiche) und wird durch den isolierenden Teil 108' unterteilt. Eine Vielzahl von Knoten 118' sind gebildet, um die Richtungseigenschaften des Kühlmittels in den Mikrokanälen aufzuprägen. Selbstverständlich können solche Knoten in den Innenflächen aller Mikrokanäle des Kondensationsteils 110' gebildet sein, um vorbestimmte Richtungseigenschaften zuverlässig beizubehalten. Ähnlich können auch in der Einschichtstruktur der Kühlvorrichtung 100 Knoten 116' in dem wärmeabsorbierenden Teil 106' gebildet sein, um die Richtungseigenschaften des Kühlmittels aufzuprägen.
Wie oben beschrieben, sind eine Vielzahl von Schichten der Kondensationsteile 110' gebildet, um die Kondensationseffizienz des Kühlmittels und dadurch die Kühleffizienz der Kühlvorrichtung 100' zu verbessern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine mikroskopische Kühlvorrichtung zur Verfügung gestellt mit der Eigenschaft einer hochgradig effizienten Wärmekühlung, die auch die Leistungen und die Zuverlässigkeit von Produkten mit der Kühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung verbessert.
Nachdem spezifische bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf diese offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist und dass verschiedene Änderungen und Abwandlungen von einem Fachmann vorgenommen werden können, ohne den Rahmen oder den Geist der in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindung zu verlassen.
Beispielsweise kann der Gegenstand der vorliegenden Erfindung als eine Kühlvorrichtung ausgeführt werden, die ein separates Gehäuse für den kühlmittelspeichernden Teil oder den Kondensationsteil umfasst, das über Rohre als Gasdurchtrittsteil mit dem wärmeabsorbierenden Teil verbunden ist. Bei dieser besonderen Ausführungsform kann die Abmessung des separaten Gehäuses größer sein, als der wärmeabsorbierende Teil, so dass die Kondensationseffizienz erhöht werden kann.
Alternativ können die vorstehend beschriebenen Teile der Kühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung in einer Ebene gebildet sein, so dass die Dicke der Kühlvorrichtung verringert werden kann. Bei dieser besonderen Ausführungsform sind der wärmeabsorbierende Teil und der Kondensationsteil beispielsweise in der XY-Ebene gebildet, durch den isolierenden Teil, der ebenfalls in derselben XY-Ebene gebildet ist, thermisch voneinander isoliert und miteinander über den kühlmittelspeichernden Teil und den Gasdurchtrittsteil verbunden, die ebenfalls in derselben XY-Ebene gebildet sind.
Ferner können die Mikrokanäle in dem wärmeabsorbierenden Teil nicht als gerade, sondern als gekrümmte Linien gebildet sein.

Claims

Kühlvorrichtung (100), die durch eine wärmeerzeugende Quelle erzeugte Wärme ableitet, wobei die Kühlvorrichtung einen wärmeabsorbierenden Teil umfasst mit mindestens einem ersten Mikrokanal, einen Kondensationsteil, zum Kondensieren eines gasförmigen Kühlmittels mit mindestens einem zweiten Mikrokanal und einen Gasdurchtrittsteil und ein Gehäuse (112), das den wärmeabsorbierenden Teil, den Kondensationsteil und den Gasdurchtrittsteil einhüllt; dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung ferner einen kühlmittelspeichernden Teil (102) umfasst, um flüssiges Kühlmittel zu speichern, und einen wärmeisolierenden Teil (108), der benachbart zu dem wärmeabsorbierenden Teil (106) angeordnet ist, um die Wärmeübertragung auf die anderen Teile einzudämmen, wobei der mindestens eine erste Mikrokanal (114) mit dem kühlmittelspeichernden Teil verbunden ist, wobei das flüssige Kühlmittel teilweise bis zu einem vorbestimmten Abschnitt des ersten Mikrokanals durch Oberflächenspannung zwischen dem flüssigen Kühlmittel und einer Innenwand des ersten Mikrokanals aufgefüllt ist und wobei die Kraft der Oberflächenspannung in dem ersten Mikrokanal größer ist, als die Schwerkraft, wobei der Kondensationsteil (110) zum Kondensieren des gasförmigen Kühlmittels zu dem flüssigen Kühlmittel mindestens einen zweiten Mikrokanal (114) umfasst, der getrennt von dem ersten Mikrokanal mit dem kühlmittelspeichernden Teil verbunden ist und wobei in dem zweiten Mikrokanal die Kraft der Oberflächenspannung zwischen dem flüssigen Kühlmittel und einer Innenwand des zweiten Mikrokanals größer ist, als die Schwerkraft, und wobei der Gasdurchtrittsteil (104) mit dem ersten und dem zweiten Mikrokanal verbunden ist und als Durchgang vorgesehen ist, durch den das gasförmige Kühlmittel von dem ersten Mikrokanal zum zweiten Mikrokanal hindurchtritt, und wobei das Gehäuse (112) den kühlmittelspeichernden Teil einhüllt, und wobei bei Wärmeeinwirkung auf den ersten Mikrokanal durch die wärmeerzeugende Quelle das flüssige Kühlmittel, welches teilweise den ersten Mikrokanal füllt, zu dem gasförmigen Kühlmittel verdampft und gleichzeitig das in dem kühlmittelspeichernden Teil gespeicherte flüssige Kühlmittel durch Kapillarkräfte kontinuierlich in den ersten Mikrokanal zugeführt wird, um dadurch zu ermöglichen, dass das Kühlmittel in dem ersten und dem zweiten Mikrokanal in dem Gehäuse zirkuliert.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse aus einem Werkstoff gebildet ist, der aus der Gruppe bestehend aus einem Halbleitermaterial, einer selbstorganisierenden Monoschicht [self-assembled monolayer], einem Metall, einer Metalllegierung, einem Keramikmaterial oder einem kristallinen Material ausgewählt wird.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Gehäuse aus dem gleichen Material gefertigt ist, wie die wärmeerzeugende Quelle.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die lichte Weite des ersten und zweiten Mikrokanals in dem Bereich von 10^–9 m bis 10^–3 m liegt.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Länge des ersten und zweiten Mikrokanals in dem Bereich von 0,5 cm bis 5 cm liegt.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Mikrokanal (114) an der Innenfläche eine Vielzahl von Knoten (116) aufweist, wodurch die Querschnittsfläche des ersten Mikrokanals vom kühlmittelspeichernden Teil in Richtung des Gasdurchtrittsteils kleiner wird.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, wobei in einem Bereich nahe dem kühlmittelspeichernden Teil jeder dieser Knoten an der Innenfläche des ersten Mikrokanals hervorsteht.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Mikrokanal (114) an der Innenfläche eine Vielzahl von Knoten (118) aufweist, wodurch die Querschnittsfläche des zweiten Mikrokanals vom Gasdurchtrittsteil in Richtung des kühlmittelspeichernden Teils kleiner wird.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, wobei in einem Bereich nahe dem Gasdurchtrittsteil jeder dieser Knoten an der Innenfläche des zweiten Mikrokanals hervorsteht.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Mikrokanal an der Innenfläche mindestens einen verjüngten Abschnitt aufweist, wodurch die Querschnittsfläche des zweiten Mikrokanals vom Gasdurchtrittsteil in Richtung des kühlmittelspeichernden Teils kleiner wird.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Volumen des Kondensationsteils größer ist, als das des wärmeabsorbierenden Teils.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von Rippen an der Außenseite des Gehäuses nahe dem Kondensationsteil gebildet sind, um die Wärmeableitung zu verbessern.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Rippen aus einer thermoelektrischen Vorrichtung bestehen.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von Rippen auf der Innenseite des Kondensationsteils gebildet sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von Mikro-Vertiefungen auf der Innenseite des ersten Mikrokanals des wärmeabsorbierenden Teils gebildet sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, wobei ein Mikrowellengenerator dazu verwendet wird, der Kühlvorrichtung Mikrowellenenergie zuzuführen, um die Kühlvorrichtung in feine Schwingungen zu versetzen.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der wärmeabsorbierende Teil und der Kondensationsteil in der gleichen Ebene gebildet sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der wärmeisolierende Teil (108) zwischen dem ersten Mikrokanal des wärmeabsorbierenden Teils und dem zweiten Mikrokanal des Kondensationsteils angeordnet ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Mikrokanal in Form einer gekrümmten Linie gebildet ist.