DE10393583T5

DE10393583T5 - Rippen-Wärmetauschsystem mit Kanal-Flachplatten, Vorrichtung und Verfahren

Info

Publication number: DE10393583T5
Application number: DE10393583T
Authority: DE
Inventors: Girish San Jose Upadhya; Richard Cupertino Herms; Peng Albany Zhou; Goodson E. San Jose Kenneth
Original assignee: Cooligy Inc
Current assignee: Cooligy Inc
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2006-02-23
Also published as: JP2006522463A; US6988535B2; AU2003286821A1; TWI300466B; US20040188066A1; WO2004042305A2; US7806168B2; JP2006511787A; DE10393588T5; TW200416375A; TWI318289B; WO2004042305A3; WO2004042302A2; AU2003291347A1; AU2003286821A8; US20040188064A1; AU2003291347A8; TW200412411A; WO2004042302A3

Abstract

Vorrichtung für den fluidgekühlten kanalisierten Wärmeaustausch, mit:
a. einem Flachplatten-Wärmetauscher, wobei der Flachplatten-Wärmetauscher eine obere Platte und eine Basisplatte, die miteinander verkoppelt sind, aufweist; und
b. einer Vielzahl von Rippen, die mit der oberen Platte gekoppelt sind;
wobei die Basisplatte aufweist:
i. einen Fluideinlaß, der so ausgestaltet ist, daß der Strom eines Fluides in einem erwärmten Zustand durch ihn hindurchtritt;
ii. eine Vielzahl von mit dem Fluideinlaß gekoppelten Kanälen, die so ausgestaltet sind, daß sie das Fluid aufnehmen und kühlen; und
iii. einen Fluidauslaß, der mit der Vielzahl der Kanäle gekoppelt ist und so ausgestaltet ist, daß er das gekühlte Fluid aufnimmt und ermöglicht, daß das gekühlte Fluid die Vorrichtung verläßt.

Description

VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität nach 35 U.S.C. 119 (e) der ebenfalls anhängigen vorläufigen Patentanmeldung in den Vereinigten Staaten von Amerika mit dem amtlichen Aktenzeichen 60/423,009, angemeldet am 1. November 2002, mit dem Titel „METHODS FOR FLEXIBLE FLUID DELIVERY AND HOTSPOT COOLING BY MICROCHANNEL HEAT SINKS (VERFAHREN FÜR DIE FLEXIBLE FLUIDZUFUHR UND HEIßFLECKENKÜHLUNG DURCH MIKROKANAL-WÄRMESENKEN)", die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Diese Patentanmeldung beansprucht auch die Priorität nach 35 U.S.C. 119 (e) der ebenfalls anhängigen vorläufigen Patentanmeldung in den Vereinigten Staaten mit dem amtlichen Aktenzeichen Nr. 60/442,383, angemeldet am 24. Januar 2003 und mit dem Titel „OPTIMIZED PLATE FIN HEAT EXCHANGER FOR CPU COOLING (OPTIMIERTER PLATTENRIPPEN-WÄRMETAUSCHER FÜR DAS KÜHLEN VON CPUs)", welche auch hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Zusätzlich beansprucht diese Patentanmeldung die Priorität nach 35 U.S.C. 119 (e) der ebenfalls anhängigen vorläufigen Patentanmeldung in den Vereinigten Staaten von Amerika mit dem amtlichen Aktenzeichen 60/455,729, angemeldet am 17. März 2003, und mit dem Titel „MICROCHANNEL HEAT EXCHANGER APPARATUS WITH POROUS CONFIGURATION AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF (MIKROKANAL-WÄRMETAUSCHERVORRICHTUNG MIT PORÖSER KONFIGURATION UND VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG)", welche hierdurch durch Bezugnahme aufgenommen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Wärmetauscher. Genauer betrifft diese Erfindung Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zum Verwenden einer flüssigkeitsgekühlten Rippen-Wärmetauschvorrichtung mit kanalisierten Flachplatten in einer optimalen Weise.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Jeder Fortschritt bei elektronischen Komponenten kann Zunahme bei der Wärmeerzeugung in einer kleineren Packungsgröße hervorrufen. Aufgrund dieser Faktoren gibt es eine ständige Notwendigkeit, die Wärme, die durch diese Komponenten erzeugt wird, zu dissipieren. Zum Beispiel gibt es eine ständige Notwendigkeit, Wärme von den zentralen Verarbeitungseinheiten (CPUs) der Personal Computer in dem Bereich von 50 bis 150 W zu dissipieren.

Kühlverfahren mit erzwungener und natürlicher Luftkonvektion, die in Verbindung mit Wärmesenken und Wärmeübertragungsrohren verwendet werden, dienen gegenwärtig als das vorherrschende Verfahren zum Kühlen der Elektronik. Die gegenwärtigen herkömmlichen Luftkühlsysteme, die aus Aluminium bestehende extrudierte oder formgegossene Rippen-Wärmesenken verwenden, reichen nicht zum Kühlen des hohen Wärmefluß von Chipoberflächen oder zur großen Wärmedissipation bei niedrigem thermischen Widerstand und kompakter Größe aus. Weiter erfordern diese luftgekühlten Wärmesenken eine wesentliche Oberfläche, um wirksam zu funktionieren. Damit sie in der Lage sind, die erhöhte Wärmebelastung zu übertragen, sind die luftgekühlten Wärmesenken sogar noch größer geworden. Dies erfordert den Einsatz größerer Ventilatoren, um Rückdrücke zu überwinden, die durch die Wärmesenken hervorgerufen werden. Mit anderen Worten erfordern gegenwärtige luftgekühlte Wärmesenken einerseits wesentlichen Raum, wobei sie den Luftstromeintritt blockieren, und andererseits Entweichungswege. Somit sind gegenwärtige Kühlverfahren der Aufgabe, Wärme abzuleiten, nicht gewachsen.

Darüberhinaus erhöht der Einsatz fortschreitend größerer Ventilatoren die Stärke des akustischen Lärms, der durch das Kühlsystem erzeugt wird, und erhöht auch die Menge an elektrischer Leistung, die von dem System gezogen wird. Zum Beispiel umfassen herkömmliche Lösungen den Einsatz mehrerer Wärmeübertragungsrohre, um die Wärme über hohen Luftstrom zu großen Wärmesenken zu tragen. Dies führt zur Lösung mit hohen Geräuschpegeln, die nicht erwünscht sind.

Weiterhin ist ein Nachteil herkömmlicher traditioneller, auf Ventilatoren basierender Wärmedissipationsverfahren, daß Wärme nur in einer Richtung übertragen wird, da ein Ventilator so angeordnet ist, daß er Luft in eine Richtung über die Wärmesenke bläst. Diese Einschränkung ruft nicht gleichförmige Temperaturgradienten über die Wärmesenke und entsprechend über die elektronische Komponente hervor.

Aufgrund dieser Faktoren und weiterer Nachteile gibt es ein Bedürfnis nach einem effizienteren und wirksameren Kühlsystem.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Offenbart werden eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein System für eine fluidgekühlte, kanalisierte Wärmeaustauschvorrichtung. Die fluidgekühlte, kanalisierte Wärmeaustauschvorrichtung benutzt Fluid, das durch einen Kanal-Wärmetauscher für die hohe Wärmedissipation und Übertragungsfläche pro Einheitsvolumen umgewälzt wird. Die Vorrichtung weist ein hoch thermisch leitendes Material auf, bevorzugt mit weniger als 200 W/mK. Der bevorzugte Kanal-Wärmetauscher weist zwei gekoppelte flache Platten und eine Vielzahl von Rippen auf, die an diese flachen Platten gekoppelt sind. Wenigstens eine der Platten ist bevorzugt so ausgestaltet, daß sie den Strom eines Fluides in einem erwärmten Zustand aufnimmt. Das Fluid leitet bevorzugt Wärme von einer Wärmequelle (so wie beispielsweise einer CPU) ab. Genauer weist wenigstens eine der Platten bevorzugt eine Vielzahl von Kondensatorkanälen auf, die so ausgestaltet sind, daß sie das Fluid im erwärmten Zustand aufnehmen, kondensieren und abkühlen. Das Fluid in einem gekühlten Zustand wird bevorzugt von der Vorrichtung zu der Wärmequelle transportiert, so daß die Wärmequelle gekühlt wird.

Die Miniaturisierung von elektronischen Komponenten hat beträchtliche Probleme erzeugt, die mit dem Aufheizen der integrierten Schaltungen verbunden sind. Immer mehr ist eine effektive Kühlung von Wärmeflußpegeln, welche 100 W/cm² überschreiten, von einer relativ kleinen Oberfläche weg erforderlich. Gegenwärtig gibt es ein Bedürfnis nach kompakten thermischen Lösungen für elektronische Vorrichtung mit großer Wärme (Energie)-Dichte. Zum Beispiel hat der nach oben weisende Trend bei der Chip-Leistung bei schrumpfenden Formgrößen zu einer extrem hohen Leistungsdichte bei hochleistungsfähigen Prozessoren geführt, für die effektive thermische Lösungen nicht vorliegen.

Wegen ihrer geringen Dichte hat Luft eine beschränkte Kapazität, Wärme pro Pfund zu transportieren. Im Gegensatz dazu sind Flüssigkeiten aufgrund ihrer größeren Dichte in der Lage, eine wesentlich größere Menge an Wärme pro Pfund zu transportieren. Zum Beispiel hat eine erzwungene Luftkühlung einen angenäherten Wärmeübertragungskoeffizienten von 20 W/m²°C, während sich bewegendes Wasser einen ungefähren Wärmeübertragungskoeffizienten von 9000 W/m²°C hat.

Indem man die gegenwärtige Erfindung mit Fluidkühlung einsetzt, kann Wärme bei einer signifikanten Verringerung in der Größe der Oberfläche dissipiert werden, welche aufgrund der höheren Wärmeübertragungsrate erforderlich ist. Zusätzlich dissipiert die hier offenbarte Erfindung mehr Wärme mit beträchtlich weniger Strömungsvolumen und akustischem Lärm. Weiter spricht die vorliegende Erfindung die Notwendigkeit an, die Temperaturgleichförmigkeit in der X-Y-Richtung einzuhalten. Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hält eine wesentliche Temperaturgleichförmigkeit in der X-Y-Richtung zusätzlich dazu, daß sie Wärme in die Umgebung mit niedrigem Wärmewiderstand dissipiert.

Ausführungsformen der fluidgekühlten, kanalisierten Wärmetauschvorrichtung, wie sie vorliegend offenbart sind, stellen eine extrem hohe Wärmeübertragungsfläche pro Einheitsvolumen zur Verfügung. Die geometrischen Parameter haben einen beträchtlichen Einfluß auf die Eigenschaften der konvektiven Wärmeübertragung. Daher optimieren Gestaltungen von Systemen, welche die vorliegende Erfindung einsetzen, bevorzugt Schlüsselparameter, die es ermöglichen, daß die fluidgekühlte, kanalisierte Rippen-Wärmetauschvorrichtung mit Flachplatten als eine effiziente und ökonomische Einrichtung zum Dissipieren von großer Wärme pro Einheitsvolumen dient.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A veranschaulicht die Draufsicht auf die Basisplatte einer fluidgekühlten Rippen-Wärmetauschvorrichtung mit kanalisierten Flachplatten, in der das Fluid direkt in Kontakt mit den Kanälen ist, für das Einphasenkühlen gemäß der vorliegenden Erfindung.
1B veranschaulicht die Draufsicht auf die Basisplatte einer fluidgekühlten Rippen-Wärmetauschvorrichtung mit kanalisierten Flachplatten, mit einem getrennten abgedichteten Spalt, wobei das Fluid für das Einphasenkühlen gemäß der vorliegenden Erfindung direkt die Kanäle kontaktiert.
1C veranschaulicht die Teil-Explosionsansicht einer Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung mit einer oberen Platte, einer Basisplatte mit Kanälen und parallelen Wärmesenkerippen gemäß der vorliegenden Erfindung.
1D veranschaulicht die Teil-Explosionsansicht einer Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung mit einer oberen Platte, einer Basisplatte mit Kanälen und senkrechten Wärmesenkerippen gemäß der vorliegenden Erfindung.
1E veranschaulicht die Teil-Explosionsansicht einer Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung mit einer oberen Platte, einer Basisplatte mit Stiften und parallelen Wärmesenkerippen gemäß der vorliegenden Erfindung.
2A veranschaulicht die Draufsicht auf eine Basisplatte einer flüssigkeitsgekühlten kanalisierten Flachplattenrippen-Wärmetauschvorrichtung, die für das Zweiphasenkühlen konfiguriert ist, wobei das Fluid direkt in Kontakt mit den Kanälen gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
2B veranschaulicht die Draufsicht auf die Basisplatte einer fluidgekühlten Rippen-Wärmetauschvorrichtung mit kanalisierten Flachplatten, die für das Zweiphasenkühlen konfiguriert ist, mit einem getrennten versiegelten Spalt, wobei das Fluid gemäß der vorliegenden Erfindung direkt im Kontakt mit den Kanälen ist.
3 veranschaulicht die Draufsicht auf die Basisplatte einer fluidgekühlten Rippen-Wärmetauschvorrichtung mit kanalisierten Flachplatten, die gemäß der vorliegenden Erfin dung für das Einphasenkühlen konfiguriert ist, wobei der Basisplatten-Kanal in einer spiralartigen Geometrie vorliegt.
4 veranschaulicht eine schematische Seitenansicht der Basisplatte der fluidgekühlten Rippen-Wärmetauschvorrichtung mit kanalisierten Flachplatten, die gemäß der vorliegenden Erfindung in 3 gezeigt ist.
5 veranschaulicht die Draufsicht auf die Basisplatte einer fluidgekühlten Rippen-Wärmetauschvorrichtung mit kanalisierten Flachplatten, die für das Einphasenkühlen konfiguriert ist, wobei der Basisplattenkanal in einer radialen Geometrie vorliegt, gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 veranschaulicht eine schematische Seitenansicht der Basisplatte einer fluidgekühlten Rippen-Wärmetauschvorrichtung mit kanalisierten Flachplatten, wie sie in 5 gezeigt ist, gemäß der vorliegenden Erfindung.
7A veranschaulicht die Draufsicht auf ein System für den fluidgekühlten Rippen-Wärmetausch mit kanalisierten Flachplatten, konfiguriert für die Fluidkühlung durch getrennte Fluidwege gemäß der vorliegenden Erfindung.
7B veranschaulicht die Draufsicht auf ein fluidgekühltes Rippen-Wärmetauschsystem mit kanalisierten Flachplatten, mit einer Vielzahl von Fluidkanal-Wärmetauschvorrichtungen und einer Vielzahl von Pumpen zum Kühlen einer Vielzahl von Wärmequellen gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 veranschaulicht ein beispielhaftes Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer kanalisierten Flachplatten-Wärmeaustauschvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Einzelheiten beschreibt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Anders als im Stand der Technik stellen Ausführungsformen der fluidgekühlten Rippen-Wärmetauschvorrichtung mit kanalisierten Flachplatten, wie sie bei der vorliegenden Erfindung offenbart ist, eine hohe Wärmeübertragungsfläche pro Einheitsvolumen in einer optimalen Weise für den Einsatz beim Kühlen von Wärmequellen zur Verfügung, einschließlich elektronischer Komponenten so wie, jedoch nicht beschränkt auf, CPUs, integrierte Schaltungen und Mikroprozessoren. Weiterhin optimiert die vorliegende Erfindung die Temperaturgleichförmigkeit in der X-Y-Richtung der Wärmetauschvorrichtung zusätzlich zum Dissipieren der Wärme in die Umgebung mit geringem thermischen Widerstand – ein Nachteil gegenwärtiger traditioneller Wärmedissipationsverfahren, welche die Wärme nur in eine Richtung übertragen. Zum Beispiel können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Wärmeflüsse dissipieren, die 100 W/cm² überschreiten, indem fluidgekühlte Kanäle verwendet werden, welche in Silizium oder andere Materialien geätzt sind.
Die Kanäle der bevorzugten Ausführungsform der fluidgekühlten kanalisierten Wärmeaustauschvorrichtung weisen Kanäle mit einem hydraulischen Durchmesser unterhalb von 5 mm auf. Zusätzlich zu den fluidgekühlten Kanälen sind Rippen mit hohem Aspektverhältnis nötig, um die Wärme in die Umgebung mit geringem thermischen Widerstand zu dissipieren.
Die Vorrichtung 100 für den einphasigen fluidgekühlten kanalisierten Wärmeaustausch ist in den 1A, 1B, 1C, 1D und 1E gezeigt. 1A veranschaulicht die Draufsicht auf die Basisplatte einer fluidgekühlten kanalisierten Flachplattenrippen-Wärmetauschvorrichtung, bei der das Fluid direkt in Kontakt mit den Kanälen für die Einphasenkühlung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Genauer zeigt 1A eine Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 weist eine obere Platte 103' (1C – 1E) und eine Basisplatte 103 auf, die verkoppelt sind. Weiter weist die Vorrichtung 100 eine Vielzahl von Rippen 106 auf, die an die obere Platte 103' (1C – 1E) gekoppelt sind. Die Basisplatte 103 weist einen Fluideinlaß 101 auf, der so ausgelegt ist, daß durch ihn hindurch der Strom eines Fluides in einem erwärmten Zustand aufgenommen wird. Zusätzlich weist die Basisplatte 103 bevorzugt eine Vielzahl von Kondensatorkanälen 104 auf, die mit dem Fluideinlaß 101 gekoppelt sind. Die Vielzahl der Kondensatorkanäle 104 ist so ausgelegt, daß sie das Fluid aufnehmen und kühlen, das in erwärmtem Zustand vorliegt. Zusätzlich weist die Basisplatte 103 einen Fluidauslaß 102 auf, der an die Vielzahl der Kondensatorkanäle 104 gekoppelt ist. Dieser Fluidauslaß 102 ist so aufgebaut, daß er das gekühlte Fluid aufnimmt und es ermöglicht, daß das gekühlte Fluid aus der Basisplatte 103 austritt. Bei alternativen Ausführungsformen ist die Vielzahl der Kondensatorkanäle 104 weiter so ausgelegt, daß das Fluid kondensiert wird.
Die Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 100 weist bevorzugt ein hoch thermisch leitendes Material auf, bevorzugt mit weniger als 200 W/mK, so wie Aluminium. Bei alternativen Ausführungsformen weist die Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 100 halbleitendes Material auf. Andere Ausführungsformen weisen ein Material mit einem thermischen Leitfähigkeitswert größer als 200 W/mK auf.
Fluid, das Wärme von einer Wärmequelle (so wie beispielsweise einer CPU) ableitet, tritt in die Vorrichtung 100 von einer Seite her ein und tritt auf der gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung 100 aus. Genauer tritt das Fluid in die Vorrichtung 100 durch den Fluideinlaß 101 in der Richtung ein, wie sie durch den Pfeil 101' angezeigt ist. Das Fluid tritt aus der Vorrichtung 100 durch den Fluidauslaß 102 in der Richtung aus, wie sie durch den Pfeil 102' angezeigt ist. Das Fluid, das bei dem Kühlprozeß eingesetzt wird, ist bevorzugt Wasser, jedoch ist bei alternativen Ausführungsformen das Fluid aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Wasser, Ethylenglykol, Isopropylalkohol, Ethanol, Methanol und Wasserstoffperoxid besteht. Bei anderen Ausführungsformen ist das Fluid aus einer Flüssigkeit oder einer Kombination aus einer Flüssigkeit und einem Dampf ausgewählt. Während der Fluideinlaß 101 und der Fluidauslaß 102 auf gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtung 100 gezeigt sind, wird man verstehen, daß sie auch auf derselben Seite oder genauso an benachbarten Seiten vorliegen können.
Die obere Platte 103' (1C – 1E) und die Basisplatte 103 der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 100 sind bevorzugt durch Anschlußstücke verkoppelt. Ein Beispiel der Abmessung der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 100 ist 120 mm × 90 mm × 88 mm. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die obere Platte 103' (1C – 1E) der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 100 eben und ist so ausgelegt, daß sie komplementär an die Basisplatte 103 der Vorrichtung 100 ankoppelt. Die Basisplatte 103 weist bevorzugt eine Vielzahl von Kondensatorkanälen 104 auf, die so ausgelegt sind, daß sie ein Fluid hindurchströmen kann. Die Vielzahl der Kondensatorkanäle 104 ist bevorzugt maschinell auf die Basisplatte ausgearbeitet, gefolgt von Plattieren (bevorzugt Nickel oder eine Alternative so wie Kupfer aufweisend), um ein hohes Aspektverhältnis für die Kanäle zu ermöglichen. Hohe Aspektverhältnisse sind bevorzugt, insbesondere für den Einphasen-Fluidstrom. Die Herstellungstechniken, die gegenwärtig existieren, können diese Aspektverhältnisse erreichen, einschließlich Plasmaätzen, LIGA-Herstellung und Halbleiterherstellungstechniken (hauptsächlich für Silizium).
Bei alternativen Ausführungsformen weisen die Kondensatorkanäle 104 Silizium auf. Silizium bietet eine alternative Ausführungsform für die Kondensatorkanäle 104 aufgrund seiner beträchtlich hohen thermischen Leitfähigkeit ~120 W/mK) auf, die es erlaubt, daß die Wärme in effektiver Weise auf die Seitenwände der Kanäle geleitet wird. Bei noch anderen Ausführungsformen umfassen die Materialien für die Kondensatorkanäle 104 Siliziumkarbid und Diamant. Weiter weist bei alternativen Ausführungsformen die Vielzahl der Kondensatorkanäle 104 ein mikrobearbeitetes Material mit hohem Aspektverhältnis oder präzisionsbearbeitete Metalle oder Legierungen auf.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben die Kondensatorkanäle 104 Tiefen in dem Bereich von 1 bis 6 mm und Breiten in dem Bereich von 0.5 bis 4 mm. Diese Aspektverhältnisse erlauben es, daß große Mengen an Fluid durch die fluidgekühlte kanalisierte Wärmetauschvorrichtung mit minimalem Druckausfall gepumpt werden, wobei gleichzeitig ermöglicht wird, daß das gesamte Fluid einen hohen thermischen Konvektionskoeffizienten mit den Seitenwänden der Kanäle aufrechterhält.
Bei alternativen Ausführungsformen ist die Vielzahl der Kondensatorkanäle 104 auf die Basisplatte 103 geprägt. Bei noch anderen Ausführungsformen ist eine leitende fluiddichte Barriere (nicht gezeigt) an die Basisplatte 103 gekoppelt, und die obere Platte 103' (1C – 1E) ist so ausgelegt, daß sie einen Mikroprozessor hält, welcher zwischen die obere Platte und die fluiddichte Barriere gelegt ist.
Noch mit Bezug auf 1A hat die Vielzahl der Kondensatorkanäle 104 bevorzugt abgerundete Ecken 105 und ist bevorzugt in einer Serpentinen-Konfiguration. Die in 1 veranschaulichte Serpentinen-Konfiguration ist eine von vielen Ausführungsformen einer Serpentinen-Ausgestaltung. Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt die Vielzahl der Kondensatorkanäle 104 in einer parallelen, einer radialen, einer spiralartigen oder winkeligen Konfiguration vor. Kanäle mit einer spiralartigen Geometrie sind hiernach als alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung diskutiert. Ungeachtet der Konfigurationsgeometrie der Kondensatorkanäle werden abgerundete Ecken 105 für die Vielzahl der Kondensatorkanäle 104 eingesetzt, um so Druckabfälle zu minimieren.
Eine Vielzahl von Rippen 106 ist an die Basisplatte 103 der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung gekoppelt. Die Vielzahl der Rippen 106, wie in 1A gezeigt, liegt in einer senkrechten Konfiguration in bezug auf die Kondensatorkanäle 104. Mit anderen Worten erlaubt es die Vielzahl der Rippen 106, daß Luft senkrecht zu der Vielzahl der Kondensatorkanäle 104 strömt, wie es in 1D gezeigt ist. Jedoch liegt die Vielzahl der Rippen 106 bevorzugt parallel zu der Vielzahl der Kondensatorkanäle 104. Die bevorzugte Konfiguration mit parallelen Rippen ist in 1C veranschaulicht, während die senkrechte Konfiguration in 1D veranschaulicht ist. Die Konfiguration mit parallelen Rippen, wie in 1C veranschaulicht, ist eine der vielen Ausführungsformen einer parallelen Ausgestaltung, während die Konfiguration mit senkrechten Rippen, wie sie in 1D veranschaulicht ist, eine von vielen Ausführungsformen einer senkrechten Ausgestaltung ist. Eine zweite Vielzahl von Rippen 106' (1C – 1E), ähnlich der Vielzahl der Rippen 106, ist an die obere Platte 103' (1C – 1E) der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 100 gekoppelt.
Die Vielzahl der Rippen 106 und die zweite Vielzahl der Rippen 106' (1C – 1E) haben bevorzugt eine Luftströmungsgeschwindigkeit von 45 cfm über die Vielzahl der Rippen hinweg. Bei alternativen Ausführungsformen ist die Vielzahl der Rippen in einer stiftartigen, einer spiralartigen oder einer radialen Konfiguration.
Die zwei Plattenhälften der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 100 (mit entsprechenden Rippen) sind zusammen gekoppelt, wie in den 1C, 1D und 1E gezeigt. Als Alternative ist die Vielzahl der Rippen 106 auf jede Plattenhälfte gelötet, gefolgt vom Verbinden der beiden Hälften durch Löten oder Hartlöten.
Die Vielzahl der Rippen 106 und die Basisplatte 103 und die zweite Vielzahl der Rippen 106' (1C – 1E) und die obere Platte 103' (1C – 1E) der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 100 weisen bevorzugt Aluminium auf und sind bevorzugt durch ein anodisches Verbindungsverfahren gekoppelt. Bei alternativen Ausführungsformen sind diese Komponenten durch Schmelzschweißen, eutektisches Schweißen, Klebverbindung, Hartlöten, Schweißen, Löten, Epoxykleben oder ähnliche Verfahren gekoppelt. Zusätzlich liegt die Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 100 bei weiteren Ausführungsformen in einer monolitischen Konfiguration (d.h. die Komponenten der Vorrichtung bestehen aus, bilden oder sind ausgebildet aus einer einzigen Einheit) vor.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist so ausgestaltet, daß sie ein Fluid in einem erwärmten Zustand von einer Wärmequelle erhält. Weiter ist die Erfindung bevorzugt an eine Pumpe oder eine andere Richtung zum Zuführen von Fluid (nicht gezeigt) und mit einer Vorrichtung für die Luftstromerzeugung, so wie einem Ventilator (nicht gezeigt) gekoppelt, um eine größere Dissipation der Wärme an die Umgebung zu ermöglichen. Das Fluid in einem erwärmten Zustand wird von der Vorrichtung 100 aufgenommen, und die Wärme wird dissipiert, indem das erwärmte Fluid durch die Vielzahl der Kondensatorkanäle 104 umgewälzt wird. Das erwärmte Fluid wird bevorzugt durch eine Pumpe zu der Wärmetauschvorrichtung gebracht. Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Wärmequelle, so wie ein Mikroprozessor, zwischen die Komponenten der Vorrichtung 100 geschaltet. Bei noch weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung 100 ansonsten direkt mit einer Wärmequelle verbunden.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kühlt 120 W Wärme von einer CPU mit einer Wasserströmungsrate von 150 ml/min. Anders als vorangegangene Erfindungen führt die Mehrdurchlaufsanordnung der vorliegenden Erfindung für den Fluidstromweg zur effizienten Kühlung in einem kompakten Volumen.
1B veranschaulicht eine Ausführungsform der Vorrichtung 100, bei der die Vorrichtung 100, wie sie in 1A diskutiert ist, weiter eine Vielzahl getrennter abgedichteter Spalte 107 aufweist. Wie in 1B gezeigt, ist die Vielzahl getrennter abgedichteter Spalte 107 zwischen den Fluideinlaß 101 und die Vielzahl der Kondensatorkanäle 104 gekoppelt. Die getrennten abgedichteten Spalte 107 werden nicht von Fluid durchquert und sind bevorzugt mit einem Gas gefüllt. Diese getrennten abgedichteten Spalte 107 dienen dazu, Temperaturänderungen in dem Fluid während der Bewegung des Fluides vorzubeugen, beispielsweise von dem Einlaß 101 durch die Vielzahl der Kondensatorkanäle 104 zu dem Auslaß 102. Es sollte verstanden werden, daß der Ort der getrennten versiegelten Spalte 107, wie in 1B gezeigt ist, nur als eine Veranschaulichung dient. Es sollte auch verstanden werden, daß zusätzliche Vielzahlen getrennter abgedichteter Spalte bei alternativen Ausführungsformen eingesetzt werden. Zum Beispiel ist bei einer alternativen Ausführungsform eine Vielzahl getrennter abgedichteter Spalte (nicht gezeigt) zwischen die Vielzahl der Kondensatorkanäle 104 gekoppelt. Oder ist es bei alternativen Ausführungsformen eine Vielzahl getrennter abgedichteter Spalte (nicht gezeigt) zwischen den Fluidauslaß 102 und die Vielzahl der Kondensatorkanäle 104 gekoppelt.
1C veranschaulicht die perspektivische Ansicht einer fluidgekühlten kanalisierten Einphasen-Wärmetauschvorrichtung 100, die in Einzelheiten oben diskutiert ist. Die Vorrichtung 100 ist bevorzugt eben. Die Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 100 weist eine Basisplatte 103 und eine obere Platte 103' auf. Fluid tritt in die Vorrichtung 100 durch den Fluid-einlaß 101 in die Richtung ein, wie sie durch den Pfeil 101' gezeigt ist. Das Fluid tritt aus der Vor richtung 100 durch den Fluidauslaß 102 (1A) aus. Wie oben diskutiert, weist die Basisplatte 103 eine Vielzahl von Kondensatorkanälen 104 auf, die so konfiguriert sind, daß ein Fluides durch sie hindurch strömen kann. Die Vielzahl der Kondensatorkanäle 104 hat abgerundete Ecken 105 und ist bevorzugt maschinenbearbeitet, gefolgt von Nickelplattieren, auf der Basisplatte 103 der Flachplatten-Wärmeaustauschvorrichtung 100.
Wie in der Diskussion der 1A bemerkt ist die Vielzahl der Rippen 106 an die Basisplatte 103 der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 100 in einer parallelen Konfiguration mit Bezug auf die Kondensatorkanäle gekoppelt. In ähnlicher Weise ist eine zweite Vielzahl von Rippen 106' an die obere Platte 103' der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung gekoppelt. Als Alternative sind die Rippen 106' einstückig mit der oberen Platte 103' ausgebildet.
1D veranschaulicht noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Vielzahl der Rippen 106 an die Basisplatte 103 der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung in einer senkrechten Ausgestaltung gekoppelt ist, wie es oben in der Diskussion der 1A beschrieben ist.
1E veranschaulicht noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Vielzahl der Rippen 106 an die Basisplatten 103 der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung in einer parallelen Ausgestaltung gekoppelt ist. Die Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung weist eine Basisplatte 103 und eine obere Platte 103' auf. Fluid tritt in die Vorrichtung 100 durch den Fluideinlaß 101 in die Richtung ein, wie sie durch den Pfeil 101' angezeigt ist. Das Fluid tritt aus der Vorrichtung 100 durch den Fluidauslaß (nicht gezeigt) aus. Die Basisplatte 103 weist eine Vielzahl von Stiften 104 auf, die so gestaltet sind, daß sie den Strom eines Fluides durch sie hindurch ermöglichen. Die Vielzahl der Stifte ragt bevorzugt von der Oberfläche der Basisplatte 103 auf und ist senkrecht zu dieser.
2A veranschaulicht die Draufsicht auf die Basisplatte einer fluidgekühlten Rippen-Wärmetauschvorrichtung 200 mit kanalisierten Flachplatten, die für das Zweiphasenkühlen ausgelegt ist. Das Fluid ist direkt im Kontakt mit den Kanälen der Vorrichtung 200. Die Ef fektivität des Zweiphasenkühlens hängt von der Fluidstromrate und der Kanalgeometrie für eine feste Luftstomgeschwindigkeit ab. Das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ist ein Schlüsselparameter, der den Wirkungsgrad des Kühlens in dem Fluidkanal regiert. Der Druckabfall des Fluides in der Wärmetauschvorrichtung ist auch von der Gesamtkanallänge, der Anzahl der Krümmungen ebenso wie der Breite der Krümmungen der Kondensatorkanäle abhängig.
Fluid tritt in die Vorrichtung 200 durch den Fluideinlaß 201 in die Richtung ein, die durch den Pfeil 201' angezeigt ist. Das eintretende Fluid ist bevorzugt eine Flüssigkeit, kann jedoch auch in einer zweiphasigen Strömung vorliegen, so wie als Dampf oder als Dampf- und Flüssigkeitsmischung. Das Fluid tritt aus der Vorrichtung 200 durch den Fluidauslaß 202 in der Richtung aus, wie sie durch den Pfeil 202' angezeigt ist. Das austretende Fluid ist bevorzugt flüssig. Während der Fluideinlaß 201 und der Fluidauslaß 202 auf gegenüberliegenden Seiten der Wärmetauschvorrichtung 200 gezeigt sind, wird erkannt werden, daß sie auch auf der selben Seite oder ebenso auf benachbarten Seiten liegen können.
Bei der Ausführungsform für das Zweiphasenkühlen wird eine besondere Kanalgeometrie mit Bereichen für die Zweiphasen-Kondensation und die Einzelphasen-Fluidkühlung eingesetzt. Der Bereich der Zweiphasen-Kondensation besteht im wesentlichen aus mehreren Zweiphasen-Kanälen, die verbunden sind, um den Druckabfall des Dampfes in dem Zweiphasen-Bereich zu verringern. Nach der Kondensation wandert das erwärmte einphasige Fluid in einem Mehrfachdurchlaß-Kondensatorkanal, um die Wärmetauschvorrichtung auf der kalten Seite zu verlassen.
Genau gesagt weist die Vorrichtung 200 eine obere Platte (nicht gezeigt) und eine Basisplatte 203 auf, die aneinander gekoppelt sind. Die Vorrichtung 200 weist weiterhin eine Vielzahl von Rippen 208 auf, die an die untere Platte 203 gekoppelt sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung 200 weiterhin eine zweite Vielzahl von Rippen (nicht gezeigt) auf, die an die obere Platte gekoppelt sind. Die Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung und die Vielzahl der Rippen 208 weisen bevorzugt hoch thermisch leitendes Material auf, bevorzugt mit weniger als 200 W/mK, so wie Aluminium. Bei alternativen Ausführungsformen weisen die Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 200 und die Vielzahl der Rippen 208 halbleitendes Material auf. Weitere Ausführungsformen weisen ein Material mit einem thermischen Leitfähigkeitswert größer als 200 W/mK auf.
Die Basisplatte 203 der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 200 weist einen Einphasenbereich 204 mit einer Vielzahl von Zweiphasenkanälen 204' auf, die so ausgelegt sind, daß sie einen Strom eines Fluides, der entweder Dampf oder Flüssigkeit und Dampf aufweist, durch sie entlang einer ersten Achse ermöglicht. Das Fluid weist bevorzugt Wasser auf, in alternativen Ausführungsformen jedoch ist das Fluid aus einer Gruppe, welche Wasser, Ethylenglykol, Isopropylalkohol, Ethanol, Methalol und Wasserstoffperoxid aufweist. Bei anderen Ausführungsformen ist das Fluid aus einer Flüssigkeit und einer Kombination einer Flüssigkeit und eines Dampfes ausgewählt.
Die Basisplatte 203 weist weiterhin einen Kondensationsbereich 205 mit einer Vielzahl von Kondensatorkanälen 205' auf, welcher an die Vielzahl der Zweiphasenkanäle 204' gekoppelt ist. Die Vielzahl der Kondensatorkanäle 205' ist so ausgelegt, daß sie die Strömung des Fluides durch sie hindurch erlauben, entlang einer zweiten Achse, welche nicht parallel zu (und bevorzugt senkrecht zu) der ersten Achse ist und den Druckabfall des Dampfes reduziert, um Kondensation zu fördern. Bevorzugt ist die Vielzahl der Zweiphasenkanäle 204' und die Vielzahl der Kondensatorkanäle 205' in einer serpentinenartigen Konfiguration. Die Vielzahl der Zweiphasenkanäle 204' und die Vielzahl der Kondensatorkanäle 205', wie in 2A gezeigt, sind eine von vielen Ausführungsformen einer serpentinenartigen Ausgestaltung.
Bei alternativen Ausführungsformen weist die Basisplatte 203 weiterhin einen zweiten Einphasenbereich (nicht gezeigt) mit einer Vielzahl von Einphasenkanälen (nicht gezeigt) auf, die an die Vielzahl der Kondensatorkanäle 205' gekoppelt sind. Die Vielzahl der Einphasenkanäle ist so ausgelegt, daß sie die Strömung eines Fluides durch diese entlang der ersten Achse ermöglichen.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung 200 mit einer Wärmequelle gekoppelt. Die Wärmequelle weist bevorzugt einen Mikroprozessor auf, umfaßt jedoch bei alternativen Ausführungsformen weitere elektronische Komponenten als Wärmequellen.
Wie bei der Einphasen-Ausführungsform nach 1A ist die Basisplatte 203 der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 200 mit der Vielzahl der Zweiphasenkanäle 204' und der Vielzahl der Kondensatorkanäle 205' gekoppelt. Zusätzlich ist eine Vielzahl von Rippen 208 mit der Basisplatte 203 der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung gekoppelt. Eine zweite Vielzahl von Rippen (nicht gezeigt), ähnlich der ersten Vielzahl der Rippen 208, ist an die obere Platte (nicht gezeigt) der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 200 gekoppelt. Die Rippen sind bevorzugt eine Folge paralleler Rippen, sind jedoch bei alternativen Ausführungsformen in einer senkrechten Ausgestaltung oder umfassen Stiftrippen, spiralartige Rippen oder radiale Rippen. Die zwei Plattenhälften der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung (mit jeweiligen Rippen) werden dann in der Weise verkoppelt, wie sie in den 1C, 1D gezeigt ist, relativ zu der Ausführungsform der 1A oder der 1E.
Einfach ausgedrückt ist der Einphasenbereich 204 der erste Abschnitt und ist so ausgelegt, daß er den Strom des Fluides (bevorzugt einer Flüssigkeit, kann jedoch in anderen Ausführungsformen auch ein Dampf oder eine Mischung aus Dampf und Flüssigkeit sein) durch den Flüssigkeitseinlaß 201 hinaus und durch die Vielzahl der Zweiphasenkanäle 204' erlaubt. Der Kondensationsbereich 205 ist der zweite Abschnitt und ist so ausgelegt, daß er den Strom des Einphasenfluides durch die Vielzahl der Kondensatorkanäle 205' und hinaus durch den Fluidauslaß 202 erlaubt. Die Vielzahl der Rippen 208 dissipiert weiterhin die Wärme durch das Fluid in den Kanälen übertragen wird.
Ähnlich der Vorrichtung, wie sie in 1B veranschaulicht ist, veranschaulicht 2B die Vorrichtung 200, bei der die Vorrichtung weiterhin eine Vielzahl getrennter abgedichteter Spalte 207 aufweist. Diese getrennten abgedichteten Spalte 207 sind bevorzugt zwischen die Vielzahl der Zweiphasenkanäle 204' des Einphasenbereiches 204 und die Vielzahl der Kon densatorkanäle 205' des Kondensationsbereiches 205 gekoppelt. Die getrennten abgedichteten Spalte 207 werden nicht von Fluid durchquert und sind bevorzugt mit einem Gas gefüllt. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen die getrennten abgedichteten Spalte 207 dazu, Temperaturänderungen in dem Fluid während der Bewegung des Fluides von dem Einlaß 201 durch die Vielzahl der Zweiphasenkanäle 204' zu der Vielzahl der Kondensatorkanäle 205' und durch den Auslaß 202 zu verhindern. Es sollte verstanden werden, daß der Ort der getrennten abgedichteten Spalte 207, wie in 2B gezeigt, nur als eine Veranschaulichung dient. Es sollte auch verstanden werden, daß zusätzliche Vielzahlen getrennter abgedichteter Spalte bei alternativen Ausführungsformen eingesetzt werden. Zum Beispiel ist bei einer Ausführungsform eine zusätzliche Vielzahl getrennter abgedichteter Spalte (nicht gezeigt) zwischen den Flüssigkeitseinlaß 201 und die Vielzahl der Zweiphasenkanäle 204' gekoppelt. Oder es ist bei alternativen Ausführungsformen eine zusätzliche Vielzahl getrennter versiegelter Spalte (nicht gezeigt) zwischen den Flüssigkeitsauslaß 202 und die Vielzahl von Kondensatorkanälen 205' gekoppelt.
3 veranschaulicht die Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Basisplatten-Kanal 303 der fluidgekühlten Rippen-Wärmetauschvorrichtung 300 mit kanalisierten Flachplatten in einer Konfiguration mit spiralartiger Geometrie vorliegt. Der Basisplatten-Kanal 303, der in 3 gezeigt ist, ist eine der vielen Ausführungsformen einer Ausgestaltung mit spiralartiger Geometrie. Bei der Ausführungsform, wie sie in 3 gezeigt ist, tritt warmes Fluid in die Vorrichtung 300 von der Mitte her ein und geht seinen Weg spiralig durch die Basisplatte 303, um an der Peripherie in einem kühleren Zustand auszutreten. Die Luftströmung von einem Ventilator (nicht gezeigt) trifft auf die Vielzahl der Rippen 306 und die Basisplatte mit einem Geschwindigkeitsgradienten von der Mitte (geringste Geschwindigkeit) zu der Kante (maximale Geschwindigkeit). Dies führt zu einer sehr kompakten Ausgestaltung, die Platz spart, jedoch auch eine effiziente und effektive Wärmedissipation erreicht.
Genauer tritt das Fluid in die einphasige fluidgekühlte kanalisierte Wärmetauschvorrichtung 300 durch den Fluideinlaß 301 in die Richtung ein, die durch den Pfeil 301' dargestellt ist.
Das Fluid tritt aus der Vorrichtung 300 durch den Fluidauslaß 302 in der Richtung aus, wie sie durch den Pfeil 302' gezeigt ist. Die Vorrichtung 300, die in 3 gezeigt ist, weist eine obere Platte (nicht gezeigt) und eine Basisplatte 303 auf, die so miteinander verkoppelt sind, wie es in den 1C, 1D gezeigt ist, im Vergleich zu den Ausführungsformen der 1A oder 1B oder 1E. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die obere Platte (nicht gezeigt) der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 300 eben und ist so ausgestaltet, daß sie komplementär mit der Basisplatte 303 koppelt. Die Basisplatte 303 weist eine Vielzahl von Kanälen 304 auf, die so konfiguriert ist, daß ein Fluid durch sie strömen kann. Die Vielzahl der Kanäle 304 ist bevorzugt maschinell gearbeitet, gefolgt durch Nickelplattieren, auf der Basisplatte 303 der Vorrichtung 300. Die Vielzahl der Kanäle 304 hat abgerundete Ecken 305 und liegt in einer spiraligen Ausgestaltung vor, wie gezeigt. Die Abmessungen des Querschnitts der Kanäle für eine solche spiralartige Kanalplatten-Rippen-Wärmetauschvorrichtung liegen in dem Bereich von 0.5 mm bis 3 mm Breite und 0.5 mm bis 6 mm Tiefe. Die Vielzahl der Kanäle 304, die in 3 gezeigt ist, stellt eine von vielen Ausführungsformen einer spiralartigen Ausgestaltung dar.
Eine erste Vielzahl von Rippen 306 ist an die Basisplatte 303 der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 300 gekoppelt. Eine zweite Vielzahl von Rippen (nicht gezeigt), ähnlich der ersten Vielzahl von Rippen 306 ist an die obere Platte (nicht gezeigt) der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung gekoppelt. Die Rippen sind vorzugsweise eine Folge paralleler Rippen, umfassen jedoch in alternativen Ausführungsformen eine Folge senkrechter Rippen, von Stiftrippen, spiralartigen Rippen oder radialen Rippen.
Die beiden Plattenhälften der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 300 (mit jeweiligen Rippen) werden dann gekoppelt. Die erste Vielzahl der Rippen 300 und die Basisplatte 303 und die zweite Vielzahl der Rippen (nicht gezeigt) und die obere Platte (nicht gezeigt) der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 300 sind bevorzugt durch ein anodisches Verschmelzverfahren gekoppelt und weisen ein hoch thermisch leitendes Material auf, bevorzugt mit weniger als 200 W/mK, so wie Aluminium. Bei alternativen Ausführungsformen weisen sie halblei tendes Material oder Material mit einem thermischen Leitfähigkeitswert größer als 200 W/mK auf.
4 veranschaulicht eine schematische Seitenansicht einer fluidgekühlten kanalisierten Wärmetauschvorrichtung 400. Obwohl nicht gezeigt, sind die Kanäle in der Basisplatte der Vorrichtung 400 in einer spiralartigen Geometrie wie bei 3 ausgestaltet.
Genauer gesagt strömt kühle Luft in die Richtung in die Seite der Zeichnung der 4 hinaus oder aus ihr heraus. Ein Ventilator (nicht gezeigt) nimmt kühle Luft auf und bläst die kühle Luft auf die Vielzahl der Rippen 403. Die Vielzahl der Rippen 403 ist an eine Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 404 gekoppelt. Die Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 404 weist eine Vielzahl von Kanälen auf, die innerhalb eines Kanalabschnittes 405 von gekoppelter Basisplatte und oberer Platte liegen. Der Kanalabschnitt 405 ist so ausgestaltet, daß er die Strömung von Fluid hindurch erlaubt, wie in Einzelheiten oben beschrieben ist. Die Vielzahl der Rippen 403, die in 4 beschrieben ist, und die anderen Komponenten der Vorrichtung 400 sind auch in Einzelheiten oben beschrieben.
5 veranschaulicht die Draufsicht auf die Basisplatte einer fluidgekühlten kanalisierten Flachplattenrippen-Wärmetauschvorrichtung 500, die für das Zweiphasenkühlen ausgelegt ist, bei der der Basisplattenkanal in einer radialen Geometrie vorliegt. Der Basisplattenkanal, der in 5 gezeigt ist, stellt eine von vielen Ausführungsformen einer Ausgestaltung mit radialer Geometrie dar. Genauer gesagt tritt Fluid in die Vorrichtung 500 durch den Fluideinlaß 501 in der Richtung ein, wie sie durch den Pfeil 501' angegeben ist. Das Fluid tritt aus der Vorrichtung 500 durch den Fluidauslaß 502 in der Richtung aus, wie sie durch den Pfeil 502' angegeben ist. Die in 5 gezeigte Vorrichtung 500 weist eine obere Platte (nicht gezeigt) und eine Basisplatte 503 auf, die verkoppelt sind und ein hoch thermisch leitendes Material aufweisen, bevorzugt mit weniger als 200 W/mK, so wie Aluminium. Bei alternativen Ausführungsformen weist die Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 500 halbleitendes Material auf. Weitere Ausführungsformen weisen ein Material mit einem thermischen Leitfähigkeitswert von größer als 200 W/mK auf.
Bei der bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die obere Platte (nicht gezeigt) der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 500 eben, und die Basisplatte 503 weist eine Vielzahl von Kanälen 504 auf, die so ausgestaltet sind, daß sie die Strömung eines Fluides durch sie hindurch erlauben. Die Vielzahl der Kanäle 504 ist bevorzugt maschinengearbeitet, gefolgt von Nickelplattieren, auf der Basisplatte 504 der Vorrichtung 500. Die Vielzahl der Kanäle 504 hat abgerundete Ecken 505 und liegt in einer radialen Ausgestaltung vor.
Eine Vielzahl von Rippen 506 ist an die Basisplatte 503 gekoppelt. Eine zweite Vielzahl von Rippen (nicht gezeigt), ähnlich der Vielzahl der Rippen 506, ist an die obere Platte (nicht gezeigt) der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 500 gekoppelt. Die Rippen liegen bevorzugt in einer Folge paralleler Rippen vor, umfassen jedoch in alternativen Ausführungsformen eine Folge senkrechter Rippen, stiftartiger Rippen, spiralartiger Rippen oder radialer Rippen. Die beiden Plattenhälften der Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung 500 (mit jeweiligen Rippen) werden dann gekoppelt. Die Vielzahl der Rippen 506 und die Basisplatte 503 und die zweite Vielzahl der Rippen (nicht gezeigt) und die obere Platte (nicht gezeigt) der Vorrichtung 500 weisen bevorzugt Aluminium auf und sind bevorzugt durch ein anodisches Schweißverfahren gekoppelt.
6 veranschaulicht eine schematische Seitenansicht einer zweiphasigen fluidgekühlten kanalisierten Wärmetauschvorrichtung 600. Obwohl nicht gezeigt, sind die Kanäle in der Basisplatte der Vorrichtung 600 in einer radialen Geometrie wie bei 6 ausgestaltet.
Genau gesagt strömt kühle Luft in die Richtung in oder aus der Seite der Zeichnung der 6. Ein Ventilator (nicht gezeigt) nimmt kühle Luft auf und bläst die kühle Luft auf die Vielzahl der Rippen 603. Die Vielzahl der Rippen 603 ist mit einem Flachplatten-Wärmetauscher 604 verkoppelt. Der Flachplatten-Wärmetauscher 604 weist eine Vielzahl von Kanälen auf, die innerhalb eines Kanalabschnittes 602 aus gekoppelter Basisplatte und oberer Platte enthalten sind. Der Kanalabschnitt 605 ist so ausgestaltet, daß er die Strömung von Fluid durch ihn hindurch ermöglicht, wie es in Einzelheiten oben beschrieben ist. Die Vielzahl der Rippen 603, in 6 gezeigt, und die Komponenten der Vorrichtung 600 sind auch in Einzelheiten oben beschrieben.
7A veranschaulicht die Draufsicht auf ein System 700 mit einer Wärmequelle 701, einer fluidgekühlten Rippen-Wärmetauschvorrichtung 703 mit kanalisierten Flachplatten und einer Pumpe 709. Die Vorrichtung 703 weist wenigstens zwei Fluidwege auf, die so konfiguriert sind, daß sie den Strom einer Flüssigkeit durch sie hindurch erlauben. Bei der Ausführungsform, wie sie in 7A veranschaulicht ist, sind zwei Fluidwege gezeigt: der erste Weg 705 und der zweite Weg 707. Der erste Wege 705 und der zweite Weg 707 sind bevorzugt getrennt und voneinander verschieden. Es sollte verstanden werden, daß die Vorrichtung 703 ähnlich derjenigen ist, die bei der Diskussion der 2A beschrieben wurde, mit der Ausnahme, daß die Vorrichtung 703 wenigstens zwei Wege aufweist, die getrennt und voneinander verschieden sind. Es sollte auch verstanden werden, daß bei alternativen Ausführungsformen die Vorrichtung 703 ähnlich derjenigen ist, die bei der Diskussion der 2B beschrieben worden ist, mit der Ausnahme, daß die Vorrichtung 703 wenigstens zwei Wege aufweist, die getrennt und unterschieden voneinander sind, zusätzlich zu den Spalten, die in 2B gezeigt sind.
Die Vorrichtung 703 ist bevorzugt so ausgestaltet, daß sie Fluid in einem erwärmten Zustand auf einen kühleren Zustand abkühlt. Die Pumpe 709 ist so ausgestaltet, daß sie das Fluid in dem erwärmten Zustand und in dem kühleren Zustand zu und von der Vorrichtung 703 umwälzt. Weiterhin weist die Wärmequelle 701 bevorzugt einen Mikroprozessor auf.
Im Betrieb koppelt der Weg 702 die Wärmequelle 701 mit der Vorrichtung 703. Es sollte verstanden werden, daß der erste Weg 705 und der zweite Weg 707 der Vorrichtung 703 innerhalb der Vorrichtung 703 enthalten sind und nicht mit den Wegen 702, 702', 704 und 704' verwechselt werden soll. Der Weg 703 ist so gestaltet, daß er das Fluid in dem erwärmten Zustand von der Wärmequelle 701 zum ersten Weg 705 der Vorrichtung 703 trägt. Das Fluid in dem erwärmten Zustand von der Wärmequelle 701 wird durch den ersten Weg 705 umgewälzt und gekühlt. Anschließend an das Umwälzen und Kühlen befindet sich das Fluid in einem kühleren Zustand und tritt aus der Vorrichtung 703 über den Weg 702' aus. Der Weg 702' koppelt die Vorrichtung 703 mit der Pumpe 709 und ist so ausgestaltet, daß er das Fluid in einem kühleren Zustand von der Vorrichtung 703 zu der Pumpe 709 leitet. Der Weg 704 koppelt die Pumpe mit der Vorrichtung 703. Der Weg 704 ist so ausgestaltet, daß er das Fluid in einem kühleren Zustand von der Pumpe 709 zu dem zweiten Weg 707 der Vorrichtung 703 leitet. Der zweite Weg 707 ist bevorzugt getrennt und verschieden von dem Weg 705 und ist nicht mit den Wegen 702 und 702' gekoppelt. Das Fluid in einem kühleren Zustand von der Pumpe 709 wird durch den zweiten Weg 703 gefördert und durch die Vorrichtung 703 gekühlt. Anschließend an das Umwälzen und Kühlen befindet sich das Fluid in einem kühleren Zustand und tritt aus der Vorrichtung 703 über den Weg 704' aus. Der Weg 704' koppelt die Vorrichtung 703 mit der Wärmequelle 701 und ist so ausgestaltet, daß er das Fluid in einem kühleren Zustand von der Vorrichtung 703 zu der Wärmequelle 701 leitet, so daß die Wärmequelle 701 gekühlt wird.
7B veranschaulicht ein Wärmetauschsystem 720. Das System 720 weist eine Vielzahl von Wärmequellen 701, 701' und 701'' auf, eine Vielzahl von Fluidkanal-Wärmetauschvorrichtungen 703, 703' und 703'' und eine Vielzahl von Pumpen 709 und 709'. Es sollte verstanden werden, daß die Vielzahl der Wärmequellen 701, 701' und 701'', die Vielzahl der Fluidkanal-Wärmetauschvorrichtungen 703, 703' und 703'' und die Vielzahl der Pumpen 709 und 709' jeweils bloß Darstellungen einer Vielzahl sind. Weiter sollte verstanden werden, daß die Ausgestaltung der verschiedenen Komponenten, wie dargestellt, lediglich eine Darstellung eines Systems ist und verschiedene Konfigurationen mit unterschiedlicher Kopplung der Komponenten alternativer Ausgestaltungen des Systems darstellen. Zum Beispiel sind bei einer Ausgestaltung die verschiedenen dargestellten Komponenten derart konfiguriert, daß mehrere Wärmequellen (Chips zum Beispiel) das Fluid erwärmen und jede das erwärmte Fluid durch eine getrennte Fluidkanal-Wärmetauschvorrichtung schickt. Oder, bei einer weiteren Konfiguration, schicken mehrere Pumpen oder Kombinationen aus Pumpen und Wärmequellen jeweils das erwärmte Fluid durch eine getrennte Fluidkanal-Wärmetauschvorrichtung.
Die Vielzahl der Fluidkanal-Wärmetauschvorrichtungen 703, 703' und 703'' sind so ausgestaltet, daß sie ein Fluid aus einem erwärmten Zustand in einen kühleren Zustand abkühlen. Jede Vorrichtung 703, 703' und 703'' weist wenigstens zwei Fluidwege auf, die so ausgestaltet sind, daß die Strömung einer Flüssigkeit durch sie erlauben, wie in Einzelheiten in 7A oben ausgeführt ist. Die Vielzahl der Pumpen 709 und 709' ist so ausgestaltet, daß das Fluid in dem erwärmten Zustand und dem kühleren Zustand zu und von der Vielzahl der Fluidkanal-Wärmetauschvorrichtung 703, 703' und 703'' und zu und von der Vielzahl von Pumpen 709 und 709' umgewälzt wird. Weiter weist die Vielzahl der Wärmequellen 701, 701' und 701'' bevorzugt einen oder mehrere Mikroprozessoren und eine oder mehrere Pumpen auf.
Die wenigstens zwei Fluidwege der Vielzahl der Fluidkanal-Wärmetauschvorrichtung 703, 703' und 703'' sind bevorzugt getrennt und sind so ausgestaltet, daß sie das Fluid in dem erwärmten Zustand von der Vielzahl der Wärmequellen 701, 701' und 701'' tragen. Zusätzlich sind die wenigstens zwei Fluidwege der Vielzahl der Fluidkanal-Wärmetauschvorrichtungen 703, 703' und 703'' so konfiguriert, daß sie das Fluid in dem kühleren Zustand der Vielzahl der Wärmequellen 701, 701' und 701'' transportieren.
Zum Beispiel koppelt der Weg 702 die Wärmequelle 701 mit der Vorrichtung 703. Es sollte verstanden werden, daß die wenigstens zwei Fluidwege der Vielzahl der Fluidkanal-Wärmetauschvorrichtungen 703, 703' und 703'' innerhalb der Vorrichtungen 703, 703' und 703'' enthalten sind und sie sollten nicht mit den Wegen 702, 702', 704, 704', 706, 706', 708, 708', 710, 710', 712 und 712' verwechselt werden. Der Weg 702 ist so ausgestaltet, daß er das Fluid in dem erwärmten Zustand von der Wärmequelle zu einem der Fluidwege der Vorrichtung 703 trägt. Das Fluid in dem erwärmten Zustand von der Wärmequelle 701 wird durch die Vorrichtung 703 transportiert und gekühlt. Nach der Umwälzung und dem Kühlen ist das Fluid in einem kühleren Zustand und tritt aus der Vorrichtung 703 über den Weg 702' aus. Der Weg 702' koppelt die Vorrichtung 703 mit der Pumpe 709 und ist so ausgestaltet, daß er das Fluid in einem kühleren Zustand von der Vorrichtung 703 zu der Pumpe 709 trägt. Der Weg 704 koppelt die Pumpe mit der Vorrichtung 703. Der Weg 704 ist so konfiguriert, daß er das Fluid in einem kühleren Zustand von der Pumpe 709 zu einem getrennten Fluidweg der Vorrich tung 703 leitet, der nicht mit den Wegen 702 und 702' gekoppelt ist. Das Fluid in einem kühleren Zustand von der Pumpe 709 wird durch die Vorrichtung 703 umgewälzt und von ihr gekühlt. Anschließend an das Umwälzen und das Kühlen ist das Fluid in einem kühleren Zustand und verläßt die Vorrichtung 703 über den Weg 704'. Der Weg 704' koppelt die Vorrichtung 703 mit der Wärmequelle 701 und ist so ausgebildet, daß das Fluid in einem kühleren Zustand von der Vorrichtung 703 zu der Wärmequelle 701 transportiert wird, so daß die Wärmequelle 701 gekühlt wird.
In ähnlicher Weise koppelt der Weg 706 die Wärmequelle 701' mit der Vorrichtung 703'. Der Weg 706 ist so ausgestaltet, daß er das Fluid in dem erwärmten Zustand von der Wärmequelle 701' zu einem der Fluidwege der Vorrichtung 703' trägt. Das Fluid in dem erwärmten Zustand von der Wärmequelle 701' wird durch die Vorrichtung 703' gewälzt und von ihr gekühlt. Anschließend an das Umwälzen und Kühlen befindet sich das Fluid in einem kühleren Zustand und verläßt die Vorrichtung 703' über den Weg 706'. Der Weg 706' koppelt die Vorrichtung 703' mit der Pumpe 709' und ist so ausgestaltet, daß das Fluid in einem kühleren Zustand von der Vorrichtung 703' zu der Pumpe 709' transportiert wird. Der Weg 708 koppelt die Pumpe 709' mit der Vorrichtung 703'. Der Weg 708 ist so gestaltet, daß er das Fluid in einem kühleren Zustand von der Pumpe 709' zu einem getrennten Fluidweg der Vorrichtung trägt, der nicht mit den Wegen 706 und 706' gekoppelt ist. Das Fluid in einem kühleren Zustand von der Pumpe 709' wird durch die Vorrichtung 703 umgewälzt und von ihr gekühlt. Anschließend an das Umwälzen und das Kühlen befindet sich das Fluid in einem kühleren Zustand und verläßt die Vorrichtung 703' über den Weg 708'. Der Weg 708' koppelt die Vorrichtung 703' mit der Wärmequelle 701' und ist so ausgestaltet, daß er das Fluid in einem kühleren Zustand von der Vorrichtung 703' zu der Wärmequelle 701' trägt, so daß die Wärmequelle 701' gekühlt wird.
Bei der Ausführungsform, wie sie in 7B gezeigt ist, ist die Vorrichtung 703'' mit der Pumpe 709 und der Pumpe 709'' gekoppelt und dient dazu, die zusätzliche Wärme zu kühlen, die durch die Pumpen auf das Fluid aufgegeben wird. Genauer gesagt koppelt der Weg 710 die Pumpe 709 mit der Vorrichtung 703''. Der Weg 710 ist so ausgestaltet, daß er das Fluid in dem erwärmten Zustand von der Pumpe 709 zu einem der Fluidwege der Vorrichtung 703'' leitet. Das Fluid in dem erwärmten Zustand von der Pumpe 709 wird durch die Vorrichtung 703'' umgewälzt und von ihr gekühlt. Anschließend an das Umwälzen und Kühlen befindet sich das Fluid in einem kühleren Zustand und verläßt die Vorrichtung 703'' über den Weg 710'. Der Weg 710' koppelt die Vorrichtung 703'' zu der Pumpe 709' und ist so ausgestaltet, daß er das Fluid in einem kühleren Zustand von der Vorrichtung 703'' mit der Pumpe 709' transportiert. Der Weg 712 koppelt die Pumpe 709' mit der Vorrichtung 703''. Der Weg 712 ist so ausgestaltet, daß er das Fluid in einem kühleren Zustand von der Pumpe 709' zu einem getrennten Fluidweg der Vorrichtung 703'' leitet, der nicht mit den Wegen 710 und 710' gekoppelt ist. Das Fluid in einem kühleren Zustand von der Pumpe 709' wird durch die Vorrichtung 703'' umgewälzt und von ihr gekühlt. Anschließend an das Umwälzen und Kühlen befindet sich das Fluid in einem kühleren Zustand und verläßt die Vorrichtung 703' über den Weg 712'. Der Weg 712' koppelt die Vorrichtung 703'' mit der Pumpe 709 und ist so ausgestaltet, daß er das Fluid in einem kühleren Zustand von der Vorrichtung 703'' zu der Pumpe 709 leitet, so daß die Pumpe 709 gekühlt wird.
Zusätzlich zu den Ausführungsformen, wie sie oben offenbart sind, werden auch verschiedene Vorrichtungen zum Herstellen einer kanalisierten Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung offenbart. Als erstes wird ein Verfahren zum Herstellen eines Flachplatten-Wärmetauschers mit gelöteten Rippen offenbart. Dieses Verfahren offenbart das maschinelle Einarbeiten von Fluidkanälen in jede von zwei Plattenhälften. Als nächstes werden Rippen auf jede der zwei Plattenhälften gelötet. Die Fluidkanäle werden dann mit Nickel oder Kupfer plattiert. Schließlich werden die beiden Hälften derart verkoppelt, daß die Fluidkanäle jeder der beiden Plattenhälften zueinander passen und einen auslaufdichten Fluidweg bilden.
Genauer veranschaulicht 8 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm 800, das in Einzelheiten ein Verfahren zum Herstellen einer kanalisierten Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt. Im Schritt 801 werden zwei Plattenhälften ausgewählt. Im Schritt 802 werden Fluidkanäle in jede der beiden Plattenhälften eingearbeitet. Im Schritt 803 werden Rippen auf jede der zwei Plattenhälften aufgelötet. Anschließend an den Schritt 803 werden in dem Schritt 804 Fluidkanäle mit Nickel oder Kupfer plattiert. Im Schritt 805 werden die zwei Hälften so gekoppelt, daß die Fluidkanäle jeder der zwei Plattenhäflten zueinander passen und einen auslaufdichten Fluidweg bilden. Das Verfahren zum Herstellen einer kanalisierten Flachplatten-Wärmetauschvorrichtung endet mit dem Schritt 806.
Die beiden Hälften werden bevorzugt durch ein Lötverfahren verkoppelt. Das Lötverfahren weist das Einsetzen einer Lötpaste auf, die durch Siebdruck auf jede der beiden Plattenhälften aufgebracht wird, um eine Bindefläche zu bilden, die zu einer hermetischen Dichtung führt. Dies stellt ein konsistentes und gleichförmiges Aufbringen von Lötmittel sicher, was zu einer hermetischen Abdichtung der beiden Hälften führt. Weiter weist bei anderen Ausführungsformen das Lötverfahren einen Stufenlötprozeß für mehrfache Lötoperationen auf. Bei alternativen Ausführungsformen werden verschiedene Verteilungen von Lötpaste eingesetzt. Zum Beispiel kann es notwendig werden, die beiden Hälften bei einer höheren Temperatur zu verlöten, gefolgt von einem Lötschritt zum Anbringen von Rohren bei einer geringeren Temperatur.
Ein alternatives Verfahren zum Herstellen umfaßt das Herstellen eines Flachplatten-Wärmetauschers mit extrudierten Rippen. Dieses Verfahren umfaßt zunächst das Herstellen einer ersten gerippten Extrusionsteiles. Als nächstes wird ein zweites geripptes Extrusionsteil hergestellt. Komplementäre Fluidkanäle werden auf das erste und zweite gerippte Extrusionsteil gearbeitet. Schließlich wird das erste gerippte Extrusionsteil an das zweite gerippte Extrusionsteil derart gekoppelt, daß die Fluidkanäle des ersten und zweiten gerippten Extrusionsteiles aneinander gepaßt sind und einen auslaufdichten Fluidweg bilden. Das Verfahren zum Verkoppeln des ersten gerippten Extrusionsteiles und des zweiten gerippten Extrusionsteiles kann entweder ein Lötverfahren oder ein Epoxyverfahren sein (beide sind oben beschrieben).
Schließlich wird ein Verfahren zum Herstellen eines Flachplatten-Wärmetauschers mit abgetragenen Rippen offenbart. Dieses Verfahren weist das Herstellen einer ersten gerippten Hälfte durch ein Abtrageverfahren auf, gefolgt vom Herstellen einer zweiten gerippten Hälfte mit tels eines Abtrageverfahrens. Als nächstes werden komplementäre Fluidkanäle auf die erste und zweite gerippte Hälfte gearbeitet. Schließlich wird die erste gerippte Hälfte an die zweite gerippte Hälfte derart angekoppelt, daß die Fluidkanäle der ersten und zweiten gerippten Hälfte aneinander gepaßt sind und einen auslaufdichten Fluidweg bilden. Das Verfahren zum Koppeln der ersten gerippten Hälfte mit der zweiten gerippten Hälfte kann entweder ein Lötverfahren oder ein Epoxyverfahren sein (beide sind oben beschrieben).
Die vorliegende Erfindung stellt ein effizienteres und effektiveres Kühlsystem zur Verfügung, das wesentliche Vorteile bei der Möglichkeit des Beseitigens von Wärmefluß im Vergleich zu herkömmlichen Kühlvorrichtungen bietet. Die fluidgekühlte Erfindung, wie sie offenbart ist, dissipiert Wärme, wobei ebenso eine signifikante Verringerung in der Größe der Oberfläche zur Verfügung gestellt wird, welche aufgrund einer höheren Wärmeübertragungsrate erforderlich ist. Zusätzlich dissipiert die vorliegende Erfindung mehr Wärme bei beträchtlich weniger Strömungsvolumen und akustischem Lärm. Weiter erhält die vorliegende Erfindung die wesentliche Temperaturgleichförmigkeit in der X-Y-Richtung zusätzlich zum Dissipieren von Wärme in die Umgebung mit geringerem thermischen Widerstand.
Die vorliegende Erfindung ist unter Bedingungen bestimmter Ausführungsformen beschrieben worden, welche Einzelheiten umfassen, um das Verständnis der Grundsätze des Aufbaus und der Betriebsweise der Erfindung zu erleichtern. Eine solche Bezugnahme hierin auf bestimmte Ausführungsformen und deren Einzelheiten ist nicht dazu gedacht, den Umfang der hier beigefügten Ansprüche zu begrenzen. Es wird den Fachleuten deutlich, daß Modifikationen bei der Ausführungsform, wie sie für die Veranschaulichung gewählt worden ist, gemacht werden können, ohne daß man sich vom Gedanken und Umfang der Erfindung entfernt.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Zusammenfassung
Offenbart werden eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein System für eine fluidgekühlte, kanalisierte Wärmetauschvorrichtung. Die fluidgekühlte, kanalisierte Wärmetauschvorrichtung benutzt durch Fluid, das durch einen Kanal-Wärmetauscher umgewälzt wird, für die hohe Wärmedissipation und Übertragungsfläche pro Einheitsvolumen. Die Vorrichtung weist ein hoch thermisch leitfähiges Material auf, bevorzugt mit weniger als 200 W/mK. Der bevorzugte Kanal-Wärmetauscher weist zwei gekoppelte Flachplatten und eine Vielzahl von Rippen, die mit den Flachplatten gekoppelt sind, auf. Wenigstens eine der Platten ist bevorzugt so ausgelegt, daß sie die Strömung eines Fluides in einem erwärmten Zustand erhält. Das Fluid leitet vorzugsweise Wärme von einer Wärmequelle (so wie einer CPU zum Beispiel). Genau weist bevorzugt wenigstens eine der Platten eine Vielzahl von Kondensatorkanälen auf, die so ausgelegt ist, daß sie das Fluid in dem erwärmten Zustand erhält, kondensiert und kühlt. Das Fluid in einem abgekühlten Zustand wird bevorzugt von der Vorrichtung zu der Wärmequelle transportiert, wodurch die Wärmequelle gekühlt wird.

Claims

Vorrichtung für den fluidgekühlten kanalisierten Wärmeaustausch, mit: a. einem Flachplatten-Wärmetauscher, wobei der Flachplatten-Wärmetauscher eine obere Platte und eine Basisplatte, die miteinander verkoppelt sind, aufweist; und b. einer Vielzahl von Rippen, die mit der oberen Platte gekoppelt sind; wobei die Basisplatte aufweist: i. einen Fluideinlaß, der so ausgestaltet ist, daß der Strom eines Fluides in einem erwärmten Zustand durch ihn hindurchtritt; ii. eine Vielzahl von mit dem Fluideinlaß gekoppelten Kanälen, die so ausgestaltet sind, daß sie das Fluid aufnehmen und kühlen; und iii. einen Fluidauslaß, der mit der Vielzahl der Kanäle gekoppelt ist und so ausgestaltet ist, daß er das gekühlte Fluid aufnimmt und ermöglicht, daß das gekühlte Fluid die Vorrichtung verläßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung weiterhin eine zweite Vielzahl von Rippen aufweist, die mit der Basisplatte gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung weiterhin eine Vielzahl getrennter abgedichteter Spalte aufweist, die zwischen die Vielzahl der Kanäle gekoppelt sind, wobei die getrennten abgedichteten Spalte nicht von dem Fluid durchquert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die erste Vielzahl getrennter abgedichteter Spalte mit einem Gas gefüllt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Vorrichtung weiterhin eine zweite Vielzahl getrennter abgedichteter Spalte aufweist, die zwischen den Fluideinlaß und die Vielzahl der Kanäle gekoppelt ist, wobei die getrennten abgedichteten Spalte nicht von dem Fluid durchquert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die zweite Vielzahl getrennter abgedichteter Spalte mit einem Gas gefüllt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Vorrichtung weiterhin eine dritte Vielzahl getrennter abgedichteter Spalte aufweist, die zwischen den Fluidauslaß und die Viel zahl der Kanäle gekoppelt ist, wobei die getrennten abgedichteten Spalte nicht von dem Fluid durchquert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die dritte Vielzahl getrennter abgedichteter Spalte mit einem Gas gefüllt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung mit einer Wärmequelle gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Wärmequelle ein Mikroprozessor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung mit einer Pumpe gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vielzahl der Kanäle Kondensatoren aufweist, die so ausgestaltet sind, daß sie das Fluid kondensieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vielzahl der Kanäle weiterhin Stifte aufweist, wobei die Stifte von der Oberfläche der Basisplatte hervorstehen und senkrecht dazu sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Fluideinlaß, die Vielzahl der Kanäle und der Fluidauslaß in einer radialen Konfiguration sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Fluideinlaß, die Vielzahl der Kanäle und der Fluidauslaß in einer spiralartigen Konfiguration sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Fluideinlaß, die Vielzahl der Kanäle und der Fluidauslaß in einer winkelartigen Konfiguration sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Fluideinlaß, die Vielzahl der Kanäle und der Fluidauslaß in einer parallelen Konfiguration sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Fluideinlaß, die Vielzahl der Kanäle und der Fluidauslaß in einer serpentinenartigen Konfiguration sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung einer monolithischen Konfiguration vorliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung weiterhin eine leitende flüssigkeitsdichte Barriere aufweist, wobei die Barriere zwischen die Basisplatte und die obere Platte gelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mittels eines eutektischen Bindeverfahrens die erste Vielzahl der Rippen mit der oberen Platte gekoppelt ist und die zweite Vielzahl der Rippen mit der Basisplatte gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mittels eines Klebe-Bindeverfahrens die erste Vielzahl der Rippen mit der oberen Platte gekoppelt ist und die zweite Vielzahl der Rippen mit der Basisplatte gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mittels eines Hartlötverfahrens die erste Vielzahl der Rippen mit der oberen Platte gekoppelt ist und die zweite Vielzahl der Rippen mit der Basisplatte gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mittels eines Schweißverfahrens die erste Vielzahl der Rippen mit der oberen Platte gekoppelt ist und die zweite Vielzahl der Rippen mit der Basisplatte gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mittels eines Lötverfahrens die erste Vielzahl der Rippen mit der oberen Platte gekoppelt ist und die zweite Vielzahl der Rippen mit der Basisplatte gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mittels eines Epoxys die erste Vielzahl der Rippen mit der oberen Platte gekoppelt ist und die zweite Vielzahl der Rippen mit der Basisplatte gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Flachplatten-Wärmetauscher ein Material mit einem thermischen Leitfähigkeitswert größer als 150 W/mK aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Flachplatten-Wärmetauscher Kupfer aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Flachplatten-Wärmetauscher Aluminium aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Fluidauslaß und die Vielzahl der Kanäle präzisionsbearbeitete Metalle aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der Fluidauslaß und die Vielzahl der Kanäle präzisionsbearbeitete Legierungen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vielzahl der Rippen Aluminium aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Fluid aus einer Flüssigkeit und einer Kombination einer Flüssigkeit mit einem Dampf ausgewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem das Fluid aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Ethylenglykol, Isopropylalkohol, Ethanol, Methanol und Wasserstoffperoxid ausgewählt ist.
Vorrichtung für das zweiphasen-fluidgekühle kanalisierte Wärmetauschen, mit: a: einem Flachplatten-Wärmetauscher, wobei der Flachplatten-Wärmetauscher eine obere Platte und eine Basisplatte aufweist, die miteinander gekoppelt sind, und die Basisplatte aufweist: i. einen Einphasenbereich mit einer Vielzahl von Zweiphasen-Kanälen, die gestaltet sind, daß sie die Strömung eines Fluides durch sie hindurch, entlang einer ersten Achse ermöglichen; ii. einem Kondensationsbereich mit einer Vielzahl von mit der Vielzahl der Zweiphasen-Kanäle gekoppelten Kondensatorkanälen, die so ausgestaltet sind, daß sie den Fluß des Fluides durch sie erlauben, entlang einer zweiten Achse ermöglichen, die nicht parallel zu der ersten Achse ist; und b. einer ersten Vielzahl von Rippen, die mit der oberen Platte des Flachplatten-Wärmetauschers gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 35, bei der die Vorrichtung weiter eine Vielzahl getrennter abgedichteter Spalte aufweist, die zwischen den Einphasenbereich und dem Kondensationsbereich gekoppelt sind, wobei die getrennten abgedichteten Spalte mit einem Gas gefüllt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 35, bei der die Vorrichtung weiterhin einen zweiten Einphasenbereich aufweist, mit einer Vielzahl von Einphasenkanälen, die mit der Vielzahl von Kondensatorkanälen gekoppelt ist und so ausgestaltet ist, daß sie den Strom eines Fluides hindurch entlang der ersten Achse erlauben.
Vorrichtung nach Anspruch 35, bei der die Vielzahl der Zweiphasenkanäle und die Vielzahl der Kondensatorkanäle in einer serpentinenartigen Konfiguration vorliegen.
Vorrichtung nach Anspruch 35, bei der die Vorrichtung weiter eine zweite Vielzahl von Rippen aufweist, die mit der Basisplatte des Flachplatten-Wärmetauschers gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 35, bei der die Vorrichtung mit einer Wärmequelle gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 40, bei der die Wärmequelle ein Mikroprozessor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 35, bei der das Fluid aus einer Flüssigkeit und einer Kombination einer Flüssigkeit mit einem Dampf ausgewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 35, bei der das Fluid aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Ethylenglykol, Isopropylalkohol, Ethanol, Methanol und Wasserstoffperoxid ausgewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 35, bei der das Fluid Wasser aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 35, bei der der Flachplatten-Wärmetauscher Kupfer aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 35, bei der die Vielzahl der Rippen Aluminium aufweist.
Vorrichtung für den flüssigkeitsgekühlten kanalisierten Wärmeaustausch, mit: a. einer Einrichtung zum Zuführen von Fluid; b. einer Einrichtung für den Flachplatten-Wärmeaustausch mit einer Fluid leitenden Kanal-Einrichtung und so ausgestaltet, daß sie das Fluid von der Einrichtung zum Zuführen von Fluid erhält, und c. einer Einrichtung für die Wärmedissipation, die mit der Einrichtung für den Flachplatten-Wärmeaustausch gekoppelt ist; und d. einer Einrichtung für die Erzeugung eines Luftstromes, die mit der Einrichtung für die Wärmedissipation gekoppelt ist.
System für den Wärmeaustausch, mit: a. einem oder mehreren Fluidkanal-Wärmetauschern, der jeder wenigstens zwei getrennte Fluidwege aufweist, welche so ausgestaltet sind, daß sie die Strömung eines Fluides hindurch ermöglichen; und b. eine oder mehrere Pumpen, die so gestaltet sind, daß sie das Fluid zu und von dem einen oder mehreren Fluidkanal-Wärmetauschern umwälzen.
System für den Wärmeaustausch nach Anspruch 48, bei dem das System weiterhin eine Vielzahl von Wärmequellen aufweist.
System für den Wärmeaustausch nach Anspruch 49, bei dem die Vielzahl der Wärmequellen einen oder mehrere Mikroprozessoren aufweist.
System für den Wärmeaustausch nach Anspruch 49, bei dem die Vielzahl der Wärmequellen einen oder mehrere Pumpen aufweist.
System für den Wärmeaustausch nach Anspruch 48, bei dem der eine oder die mehreren Fluidkanal-Wärmetauscher weiter so ausgestaltet sind, daß sie ein Fluid aus einem erwärmten Zustand in einen abgekühlten Zustand kühlen.
System für den Wärmeaustausch nach Anspruch 52, bei dem die wenigstens zwei Fluidwege so ausgestaltet sind, daß sie das Fluid in dem erwärmten Zustand von der Viel zahl der Wärmequellen ableiten und das Fluid in dem abgekühlten Zustand zu der Vielzahl der Wärmequellen transportieren.
System nach Anspruch 48, bei dem die wenigstens zwei getrennten Fluidwege parallell sind.
System nach Anspruch 48, bei dem die wenigstens zwei getrennten Fluidwege in einer serpentinenartigen Konfiguration vorliegen.
System nach Anspruch 48, bei dem das Fluid aus einer Flüssigkeit und einer Kombination einer Flüssigkeit mit einem Dampf ausgewählt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Flachplatten-Wärmetauschers, das aufweist: a. Einarbeiten von Fluidkanälen in jede von zwei Plattenhälften; b. Löten von Rippen auf jede der beiden Plattenhälften; c. Nickelplattieren der Fluidkanäle; und d. Koppeln der beiden Hälften derart, daß die Fluidkanäle jeder der beiden Plattenhälften zueinander passen und einen auslaufdichten Fluidweg bilden.
Verfahren nach Anspruch 57, bei dem die beiden Hälften mit einem Lötverfahren gekoppelt werden.
Verfahren nach Anspruch 58, bei dem das Lötverfahren das Einsetzen einer Lötpaste, aufgetragen durch Siebdrucken, auf jede der beiden Plattenhälften aufweist, um eine Bindefläche zu bilden, die zu einer hermetischen Versiegelung führt.
Verfahren nach Anspruch 58, bei dem das Lötverfahren einen Stufenlötprozeß für mehrere Lötoperationen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 57, bei dem die beiden Hälften durch ein Epoxy gekoppelt sind.
Verfahren zum Herstellen eines Flachplatten-Wärmetauschers, mit: a. Herstellen eines ersten gerippten Extrusionsteils; b. Herstellen eines zweiten gerippten Extrusionsteils: c. Einarbeiten komplementärer Fluidkanäle auf das erste und das zweite gerippte Extrusionsteil; d. Koppeln des ersten gerippten Extrusionsteils mit dem zweiten gerippten Extrusionsteil derart, daß die Fluidkanäle des ersten und zweiten Extrusionsteils zueinander passen und einen auslaufdichten Fluidweg bilden.
Verfahren nach Anspruch 62, bei dem das erste gerippte Extrusionsteil mit dem zweiten gerippten Extrusionsteil durch ein Lötverfahren gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 63, bei dem das Lötverfahren das Einsetzen einer Lötpaste, aufgetragen durch Siebdruck, auf jeses der ersten und zweiten gerippten Extrusionsteils aufweist, um eine Bindestelle zu bilden, die zu einer hermetischen Abdichtung führt.
Verfahren nach Anspruch 63, bei dem das Lötverfahren einen Stufenlötprozeß für mehrere Lötoperationen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 62, bei dem das erste gerippte Extrusionsteil durch Epoxy mit dem zweiten gerippten Extrusionsteil gekoppelt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Flachplatten-Wärmetauschers, das aufweist: a. Herstellen einer ersten gerippten Hälfte durch ein Schälverfahren; b. Herstellen einer zweiten gerippten Hälfte durch ein Schälverfahren; c. Herstellen von komplementären Fluidkanälen auf der ersten und zweiten gerippten Hälfte; d. Koppeln der ersten gerippten Hälfte mit der zweiten gerippten Hälfte derart, daß die Fluidkanäle der ersten und zweiten gerippten Hälfte zueinander passen und einen auslaufdichten Fluidweg bilden.
Verfahren nach Anspruch 67, bei dem die beiden gerippten Hälften durch ein Lötverfahren miteinander verkoppelt werden.
Verfahren nach Anspruch 68, bei dem das Lötverfahren das Einsetzen einer Lötpaste, aufgetragen durch Siebdruck, auf die erste und zweite gerippte Hälfte aufweist, um eine Bindefläche zu bilden, die zu einer hermetischen Dichtung führt.
Verfahren nach Anspruch 68, bei dem das Lötverfahren einen Stufenlötprozeß für mehrere Lötoperationen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 67, bei dem die beiden gerippten Hälften durch ein Epoxy gekoppelt werden.