DE102005028902A1

DE102005028902A1 - Verfahren und Vorrichtung zur effizienten vertikalen Fluidabgabe zum Kühlen einer wärmeproduzierenden Vorrichtung

Info

Publication number: DE102005028902A1
Application number: DE102005028902A
Authority: DE
Inventors: Thomas W. San Carlos Kenny; Peng Albany Zhou; Mark Los Altos Hills Munch; James Gill San Jose Shook; Girish Cupertino Upadhya; Dave Los Altos Hills Corbin; James San Francisco Lovette; Kenneth Belmont Goodson; Mark Menlo Park McMaster
Original assignee: Cooligy Inc
Current assignee: Cooligy Inc
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2006-03-02
Also published as: JP2006086503A; US20050211418A1

Abstract

Ein Wärmetauscher und Verfahren zur Herstellung desselben umfassen eine Zwischenschicht zum Kühlen einer Wärmequelle. Die Zwischenschicht ist mit der Wärmequelle gekoppelt und ausgelegt, ein Fluid hindurchzuleiten. Der Wärmetauscher umfaßt ferner eine Verteilerschicht, die mit der Zwischenschicht gekoppelt ist. Die Verteilerschicht umfaßt mindestens einen ersten Anschluß, der mit einer ersten Gruppe von vereinzelten Löchern gekoppelt ist, die Fluid durch die erste Gruppe kanalisieren. Die Verteilerschicht umfaßt mindestens einen zweiten Anschluss, der mit einer zweiten Gruppe von vereinzelten Löchern gekoppelt ist, die Fluid durch die zweite Gruppe kanalisieren. Die erste Gruppe von Löchern und die zweite Gruppe von Löchern sind angeordnet, um eine minimierte Fluidpfadlänge zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss bereitzustellen, um die Wärmequelle geeignet zu kühlen. Bevorzugt ist jedes Loch in der ersten Gruppe in einem dichtesten optimalen Abstand zu einem benachbarten Loch der zweiten Gruppe angeordnet.

Description

Verwandte Anmeldungen
Diese Patentanmeldung ist eine continuation-in-part-Anmeldung der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 10/680,584, die am 06. Oktober 2003 eingereicht wurde und den Titel trägt „Verfahren und Vorrichtung zur effizienten vertikalen Fluidabgabe zum Kühlen einer wärmeproduzierenden Vorrichtung" („METHOD AND APPARATUS FOR EFFICIENT VERTICAL FLUID DELIVERY FOR COOLING A HEAT PRODUCING DEVICE"), die durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen ist und die eine continuation-in-part-Anmeldung der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 10/439,635 ist, die am 16. Mai 2003 eingereicht wurde und den Titel trägt „Verfahren und Vorrichtung zur flexiblen Fluidabgabe zum Kühlen gewünschter heißer Bereiche in einer wärmeproduzierenden Vorrichtung" („METHOD AND APPARATUS FOR FLEXIBLE FLUID DELIVERY FOR COOLING DESIRED HOT SPOTS IN A HEAT PRODUCING DEVICE"), die durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen ist und die Priorität gemäß 35 U.S.C.119(e) der ebenfalls anhängigen US Provisional-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 60/423,009 beansprucht, die am 01. November 2002 eingereicht wurde und den Titel trägt „Verfahren zur flexiblen Fluidabgabe und Kühlung von heißen Bereichen durch Mikrokanal-Wärmesenken" („METHODS FOR FLEXIBLE FLUID DELIVERY AND HOTSPOT COOLING BY MICROCHANNEL HEAT SINKS"), die durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen ist, und der ebenfalls anhängigen US Provisional-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 60/442,383, die am 24. Januar 2003 eingereicht wurde und den Titel trägt „Optimierter Platten-Rippen-Wärmetauscher zum Kühlen einer CPU" („OPTIMIZED PLATE FIN HEAT EXCHANGER FOR CPU COOLING"), die ebenfalls durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen ist, und von der ebenfalls anhängigen US Provisional-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 60/455,729, die am 17. März 2003 eingereicht wurde und den Titel trägt „Mikrokanalwärmetauscher mit porösem Aufbau und Verfahren zur Herstellung desselben" („MICROCHANNEL HEAT EXCHANGER APPARATUS WITH POROUS CONFIGURATION AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF"), die durch die Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen ist. Die US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 10/680,584 beansprucht ferner die Priorität gemäß 35 U.S.C.119(e) der ebenfalls anhängigen US Provisional-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 60/423,009, die am 01. November 2002 eingereicht wurde und den Titel trägt „Verfahren zur flexiblen Fluidabgabe und Kühlung von heißen Bereichen durch Mikrokanal-Wärmesenken" („METHODS FOR FLEXIBLE FLUID DELIVERY AND HOTSPOT COOLING BY MICROCHANNEL HEAT SINKS"), durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen, und der ebenfalls anhängigen US Provisional-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 60/442,383, die am 24. Januar 2003 eingereicht wurde und den Titel trägt „Optimierter Platten-Rippen-Wärmetauscher zum Kühlen einer CPU" („OPTIMIZED PLATE FIN HEAT EXCHANGER FOR CPU COOLING"), in diese Schrift durch Bezugnahme aufgenommen, und der ebenfalls anhängigen US Provisional-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 60/455,729, die am 17. März 2003 eingereicht wurde und den Titel trägt „Mikrokanalwärmetauscher mit porösem Aufbau und Verfahren zum Herstellen desselben" („MICROCHANNEL HEAT EXCHANGER APPARATUS WITH POROUS CONFIGURATION AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF"), die durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen ist.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer wärmeproduzierenden Vorrichtung, und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur effizienten vertikalen Fluidabgabe beim Kühlen einer elektronischen Vorrichtung mit einem minimalen Druckabfall in dem Wärmetauscher.

Hintergrund der Erfindung

Seit ihrer Einführung zu Beginn der 80er Jahre des 19. Jahrhunderts zeigten Mikrokanal-Wärmesenken oder -Kühlkörper ein großes Potential bei Anwendungen zum Kühlen mit einem großen Wärmefluss und wurden in der Industrie verwendet. Jedoch umfassen existierende Mikrokanäle herkömmliche parallele Kanalanordnungen, die nicht besonders gut zum Kühlen von wärmeproduzierenden Vorrichtungen geeignet sind, die räumlich variierende Wärmelasten aufweisen. Derartige wärmeproduzierende Vorrichtungen weisen Bereiche auf, die mehr Wärme erzeugen als andere. Diese wärmeren Bereiche werden hiermit als „heiße Bereiche" bezeichnet, wohingegen die Bereiche der Wärmequelle, die nicht so viel Wärme produzieren, hiermit als „warme Bereiche" bezeichnet werden.

1A und 1B zeigen eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines Wärmetauschers 10 gemäß dem Stand der Technik, der mit einer elektronischen Vorrichtung 99, wie zum Beispiel einem Mikroprozessor, über ein thermisches Zwischenschichtmaterial 98 gekoppelt ist. Wie in den 1A und 1B gezeigt, strömt Fluid im wesentlichen aus einem einzigen Einlassanschluß 12 ein und strömt entlang der unteren Oberfläche 11 durch die parallelen Mikrokanäle 14, wie durch die Pfeile gezeigt, und tritt durch den Auslaßanschluß 16 aus. Obwohl der Wärmetauscher 10 die elektronische Vorrichtung 99 kühlt, strömt das Fluid von dem Einlass anschluß 12 zu dem Auslaßanschluß 16 auf eine gleichförmige Weise. Das Fluid strömt mit anderen Worten im wesentlichen gleichförmig entlang der gesamten unteren Oberfläche 11 des Wärmetauschers 10 und führt Bereichen in der unteren Oberfläche 11, die heißen Bereichen in der Vorrichtung 99 entsprechen, nicht mehr Fluid zu. Ferner steigt die Temperatur der Flüssigkeit, die aus dem Einlass einströmt, im allgemeinen an, während diese entlang der unteren Oberfläche 11 des Wärmetauschers strömt.

Daher werden Bereiche der Wärmequelle 99, die stromabwärts oder nahe des Auslaßanschlußes 16 sind, nicht mit kühlem Fluid versorgt, sondern mit wärmerem Fluid oder einem zweiphasigen Fluid, das stromaufwärts bereits erwärmt wurde. Dies führt dazu, daß das erwärmte Fluid tatsächlich die Wärme entlang der gesamten unteren Oberfläche 11 des Wärmetauschers und des Bereichs der Wärmequelle 99 trägt, wodurch das Fluid nahe des Auslaßanschlußes 16 so heiß ist, daß es für das Kühlen der Wärmequelle 99 unwirksam ist. Dieser Wärmeanstieg verursacht zweiphasige Strömungsinstabilitäten, weil das Sieden des Fluids entlang der unteren Oberfläche 11 das Fluid von den Bereichen weg drückt, wo die meiste Wärme erzeugt wird. Ferner zwingt der Wärmetauscher 10, der nur einen Einlass 12 und einen Auslaß 16 aufweist, das Fluid dazu, sich entlang der langen parallelen Mikrokanäle 14 in der unteren Oberfläche 11 auf der gesamten Länge des Wärmetauschers 10 zu bewegen, wodurch ein großer Druckabfall aufgrund der Weglänge, die das Fluid zurücklegen muß, erzeugt wird. Der große Druckabfall, der in dem Wärmetauscher 10 vorliegt, erschwert ein Pumpen des Fluids zu dem Wärmetauscher 10 und vermehrt die Instabilitäten.

1C zeigt eine Darstellung einer Seitenansicht eines Wärmetauschers 20 mit mehreren Niveaus gemäß dem Stand der Technik. Das Fluid tritt in den Wärmetauscher 20 mit mehreren Niveaus durch den Anschluß 22 ein und bewegt sich in mehreren Fluidstrahlen 28 in der mittleren Schicht 26 nach unten zu der unteren Oberfläche 27 und einem Auslaßanschluß 24. Ferner strömt das Fluid, das sich entlang der Fluidstrahlen 28 bewegt, nicht gleichförmig nach unten zu der unteren Oberfläche 27. Ferner weist der Wärmetauscher in 1C dieselben Probleme auf, die oben unter Bezug auf den Wärmetauscher 10 in den 1A und 1B dargelegt wurden.

Was gewünscht ist, ist ein Wärmetauscher, der ausgelegt ist, einen geringen Druckabfall zwischen den Einlass- und Auslaßfluidanschlüssen zu erreichen, während die Wärmequelle effizient gekühlt wird. Was gewünscht ist, ist ein Mikrokanalwärmetauscher, der ausgelegt ist, eine ordnungsgemäße Einheitlichkeit der Temperatur in der Wärmequelle zu erreichen. Was ferner gewünscht ist, ist ein Wärmetauscher, der ausgelegt ist, die ordnungsgemäße Einheitlichkeit der Temperatur in Anbetracht der heißen Bereiche in der Wärmequelle zu erreichen.

Zusammenfassung der Erfindung

In einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein Wärmetauscher eine Zwischenschicht, die in Kontakt mit der Wärmequelle ist und ausgelegt ist, um Fluid hindurchzuleiten, um die Wärmequelle zu kühlen, wobei die Zwischenschicht eine Dicke von ca. 0,3 bis ca. 1 mm aufweist, und eine Verteilerschicht, die mit der Zwischenschicht gekoppelt ist, wobei die Verteilerschicht ferner eine erste Gruppe von vereinzelten Fluidpfaden aufweist, um Fluid zu der Zwischenschicht zu kanalisieren, wobei die einzelnen Fluidpfade in der ersten Gruppe angeordnet sind, um einen Druckabfall in dem Wärmetauscher zu minimieren. Die Verteilerschicht kann ferner eine zweite Gruppe von vereinzelten Fluidpfaden aufweisen, um Fluid aus der Zwischenschicht zu kanalisieren. Die Verteilerschicht kann ferner einen ersten Anschluß, um Fluid zu der ersten Gruppe von vereinzelten Fluidpfaden zu leiten, und einen zweiten Anschluß, um Fluid abzuleiten, das von der zweiten Gruppe von vereinzelten Fluidpfaden kanalisiert wird, aufweisen. Die erste Anordnung von Fluidpfaden kann angeordnet sein, um eine minimale Fluidpfadlänge entlang der Zwischenschicht bereitzustellen, um einen vorbestimmten Bereich der Wärmequelle auf eine gewünschte Temperatur zu kühlen. Die erste und zweite Gruppe der Fluidpfade kann angeordnet sein, um eine minimale Fluidpfadlänge zwischen dem ersten und zweiten Anschluß bereitzustellen, um einen vorbestimmten Bereich der Wärmequelle auf eine gewünschte Temperatur zu kühlen. Das Fluid kann sich in einem einphasi gen Strömungszustand befinden. Mindestens ein Teil des Fluids kann sich in einem zweiphasigen Strömungszustand befinden. Mindestens ein Teil des Fluid kann einem Wechsel zwischen ein- und zweiphasigen Strömungszuständen in dem Wärmetauscher unterliegen. Die Verteilerschicht kann ferner ein Zirkulationsniveau aufweisen, durch das die ersten und zweiten Fluidpfade verlaufen, wobei das Zirkulationsniveau mit der Zwischenschicht gekoppelt ist und ausgelegt ist, um trennbar Fluid zu und aus der Zwischenschicht durch die erste und zweite Gruppe von Fluidpfaden zu kanalisieren. Jeder Fluidpfad in der ersten Gruppe kann einen zylindrischen Vorsprung in Verbindung damit aufweisen, wobei jeder zylindrische Vorsprung von dem Zirkulationsniveau um eine vorbestimmte Höhe vorsteht. Die Verteilerschicht kann ferner ein erstes Niveau, das ausgelegt ist, Fluid zwischen dem ersten Anschluß und der ersten Gruppe von Fluidpfaden zu kanalisieren, und ein zweites Niveau, das mit dem ersten Niveau gekoppelt ist und ausgelegt ist, um Fluid zwischen dem zweiten Anschluß und der zweiten Gruppe von Fluidpfaden zu kanalisieren, aufweisen, wobei in der Verteilerschicht Fluid, das durch das erste Niveau kanalisiert wird, getrennt gehalten wird von dem Fluid, das durch das zweite Niveau kanalisiert wird. Das erste Niveau kann ferner ein erstes Durchgangsstück umfassen, das in Verbindung mit dem ersten Anschluß und der ersten Gruppe von Fluidpfaden ist, wobei Fluid in dem ersten Durchgangsstück direkt zu der ersten Gruppe von Fluidpfaden strömt. Das zweite Niveau kann ferner ein zweites Durchgangsstück aufweisen, das in Verbindung mit dem zweiten Anschluß und der zweiten Gruppe von Fluidpfaden ist, wobei das Fluid in der zweiten Gruppe direkt zu dem zweiten Durchgangsstück strömt. Die erste Gruppe von Fluidpfaden kann thermisch isoliert von der zweiten Gruppe von Fluidpfaden sein, um eine Wärmeübertragung zwischen diesen zu vermeiden. Die erste und zweite Gruppe von Fluidpfaden kann in einer gleichförmigen Weise entlang mindestens einer Dimension angeordnet sein. Die erste und zweite Gruppe von Fluidpfaden kann in einer nicht gleichförmigen Weise entlang mindestens einer Dimension angeordnet sein. Die Fluidpfade in der ersten Gruppe können untereinander einen dichtesten optimalen Abstand aufweisen. Die erste und zweite Gruppe von Fluidpfaden kann angeordnet sein, um mindestens einen einem Bereich in der Wärmequelle entsprechenden heißen Zwischenschichtbereich zu kühlen. Mindestens einer der ersten Fluidpfade kann durch eine Vielzahl von ersten Öffnungen strömen, wobei mindestens eine der ersten Öffnungen aus der Vielzahl eine erste Abmessung aufweist, die im wesentlichen einer zweiten Abmessung mindestens einer Öffnung in der zweiten Gruppe von Fluidpfaden entspricht. Mindestens einer der ersten Fluidpfade kann durch eine Vielzahl von ersten Öffnungen strömen, wobei mindestens eine der ersten Öffnungen aus der Vielzahl eine erste Abmessung aufweist, die sich von einer zweiten Abmessung mindestens einer zweiten Öffnung in der zweiten Gruppe von Fluidpfaden unterscheidet. Die Zwischenschicht kann aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 100 W/mK bestehen. Auf der Zwischenschicht kann eine Beschichtung gebildet sein, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/mK bereitstellt. Die Zwischenschicht kann ferner eine Vielzahl von Säulen aufweisen, die in einem vorbestimmten Muster entlang der Zwischenschicht angeordnet sind. Mindestens eine aus der Vielzahl von Säulen kann ein Flächenmaß innerhalb des Bereichs von und einschließlich (10 μm)² bis (100 μm)² aufweisen. Mindestens eine aus der Vielzahl von Säulen kann eine Höhe innerhalb des Bereichs von und einschließlich 50 μm bis 2 mm aufweisen. Mindesten zwei aus der Vielzahl von Säulen können einen gegenseitigen Abstand innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 bis 150 μm aufweisen. Auf der Vielzahl von Säulen kann eine Beschichtung gebildet sein, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweist. Mindestens eine aus der Vielzahl von Säulen kann mindestens eine variierende Abmessung entlang einer vorbestimmten Richtung aufweisen. Eine geeignete Anzahl von Säulen kann in einem vorbestimmten Bereich entlang der Zwischenschicht angeordnet sein. Mindestens ein Abschnitt der Zwischenschicht kann eine aufgerauhte Oberfläche aufweisen. Eine Beschichtung kann auf der Vielzahl von Säulen gebildet sein, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweist. Der Wärmetauscher kann eine poröse Mikrostruktur umfassen, die entlang der Zwischenschicht angeordnet ist. Die poröse Mikrostruktur kann eine Porosität innerhalb des Bereichs von und einschließlich 50 bis 80 % aufweisen. Die poröse Mikrostruktur kann eine durchschnittliche Porengröße innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 bis 200 μm aufweisen. Die poröse Mikrostruktur kann eine Höhe innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0,25 bis 2,00 mm aufweisen. Die poröse Mikrostruktur kann mindestens eine Pore aufweisen, die eine variierende Abmessung entlang einer vorbestimmten Richtung aufweist. Der Wärmetauscher kann ferner eine Vielzahl von Mikrokanälen umfassen, wobei diese in einer vorbestimmen Konfiguration entlang der Zwischenschicht angeordnet sind. Mindestens einer aus der Vielzahl von Mikrokanälen kann ein Flächenmaß innerhalb des Bereichs von und einschließlich (10 μm)² bis (100 μm)² aufweisen. Mindestens einer aus der Vielzahl von Mikrokanälen kann eine Höhe innerhalb des Bereichs von und einschließlich 50 μm bis 2 mm aufweisen. Mindestens zwei aus der Vielzahl von Mikrokanälen können einen gegenseitigen Abstand innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 bis 150 μm aufweisen. Mindestens einer aus der Vielzahl von Mikrokanälen kann eine Breite innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 bis 100 μm aufweisen. Eine Beschichtung kann auf der Vielzahl von Mikrokanälen gebildet sein, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweist. Die Zwischenschicht kann mit der Wärmequelle gekoppelt sein. Die Zwischenschicht kann integral mit der Wärmequelle gebildet sein. Die Wärmequelle kann ein integrierter Schaltkreis sein. Eine Überhangsabmessung kann innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0 bis 15 mm bestehen.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmetauscher ausgelegt, eine Wärmequelle zu kühlen, und umfaßt eine Zwischenschicht, die in Kontakt mit der Wärmequelle ist und ausgelegt ist, Fluid hindurchzuleiten, wobei die Zwischenschicht eine Dicke in einem Bereich von ca. 0,3 bis ca. 1,0 mm aufweist, sowie eine Verteilerschicht, die mit der Zwischenschicht gekoppelt ist, wobei die Verteilerschicht ein erstes Niveau mit einer Vielzahl im wesentlichen vertikal verlaufenden Einlasspfaden, um Fluid an die Zwischenschicht abzugeben, wobei die Einlasspfade so angeordnet sind, daß sie einen optimalen, gegenseitigen Fluidstreckenabstand aufweisen, und ein zweites Niveau mit mindestens einem Auslaßpfad, um Fluid aus der Zwischenschicht zu leiten, umfaßt. Das erste Niveau kann ferner mindestens einen ersten Anschluß aufweisen, der ausgelegt ist, um Fluid zu den Einlaßpfaden zu kanalisieren. Das zweite Niveau kann ferner mindestens einen zweiten Anschluß aufweisen, der ausgelegt ist, um Fluid von dem mindestens einen Auslaßpfad zu kanalisieren, wobei das Fluid in dem zweiten Niveau getrennt von dem Fluid in dem ersten Niveau strömt. Das zweite Niveau kann ferner eine Vielzahl von im wesentlichen vertikal verlaufenden Auslaßpfaden aufweisen, um Fluid aus der Zwischenschicht zu leiten, wobei die Vielzahl von Ein- und Auslaßpfaden in einem optimalen gegenseitigen Fluidstreckenabstand voneinander angeordnet sind. Die Verteilerschicht kann ferner ein Zirkulationsniveau aufweisen, das mit der Zwischenschicht gekoppelt ist und eine Vielzahl von ersten Öffnungen aufweist, die vertikal durch dieses verlaufen, um Fluid entlang der Einlasspfade zu der Zwischenschicht zu kanalisieren, und eine Vielzahl von zweiten Öffnungen, die vertikal durch dieses verlaufen, um Fluid entlang dem mindestens einem Auslaßpfad von der Zwischenschicht zu kanalisieren. In dem ersten Niveau kann ein Durchgangsstück für ein Einlassfluid vorgesehen sein, um Fluid von dem ersten Anschluß zu den ersten Öffnungen horizontal zu kanalisieren. Das zweite Niveau kann ferner ein Durchgangstück für Auslaßfluid aufweisen, um Fluid von den zweiten Öffnungen zu dem zweiten Anschluß horizontal zu kanalisieren. Die ersten und zweiten Öffnungen können einzeln auf gleichförmige Weise entlang mindestens einer Dimension angeordnet sein. Die ersten und zweiten Fluidöffnungen können einzeln auf nicht gleichförmige Weise entlang mindestens einer Dimension angeordnet sein. Die Einlasspfade und der mindestens eine Auslaßpfad in der Verteilerschicht können getrennt voneinander abgedichtet sein. Die Zwischenschicht kann mit der Wärmequelle gekoppelt sein. Die Zwischenschicht kann integral mit der Wärmequelle gebildet sein. Die Wärmequelle kann ein integrierter Schaltkreis sein. Die ersten und zweiten Öffnungen können angeordnet sein, um mindestens einen, einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich zu kühlen. Mindestens eine der ersten Öffnungen kann eine Einlassabmessung aufweisen, die im wesentlichen eine Auslaßabmessung mindestens einer zweiten Öffnung aus der Vielzahl entspricht. Mindestens eine der ersten Öffnungen kann eine Einlassabmessung aufweisen, die sich von einer Auslaßabmessung mindestens einer zweiten Öffnung aus der Vielzahl unterscheidet. Die Zwischenschicht kann aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 100 W/mK bestehen. Auf der Zwischenschicht kann eine Beschichtung vorgesehen sein, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweist. Die Zwischenschicht kann ferner eine Vielzahl von Säulen aufweisen, die auf dieser in einem geeigneten Muster angeordnet sind. Mindestens eine aus der Vielzahl von Säulen kann ein Flächenmaß innerhalb des Bereichs von und einschließlich (10μm)² bis (100 mm)² aufweisen. Mindestens eine aus der Vielzahl von Säulen kann eine Höhe innerhalb des Bereichs von und einschließlich 50 μm bis 2 mm aufweisen. Mindestens zwei aus der Vielzahl von Säulen können einen gegenseitigen Abstand innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 bis 150 μm aufweisen. Auf der Vielzahl von Säulen kann eine Beschichtung gebildet sein, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweist. Mindestens eine aus der Vielzahl von Säulen kann mindestens eine veränderliche Abmessung entlang einer vorbestimmten Richtung aufweisen. Eine geeignete Anzahl von Säulen kann in einem vorbestimmten Bereich entlang der Zwischenschicht angeordnet sein. Mindestens ein Abschnitt der Zwischenschicht kann eine aufgerauhte Oberfläche aufweisen. Auf der Vielzahl von Säulen kann eine Beschichtung gebildet sein, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweist. Der Wärmetauscher kann ferner eine poröse Mikrostruktur umfassen, die entlang der Zwischenschicht angeordnet ist. Die poröse Mikrostruktur kann eine Höhe innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0,25 bis 2,00 mm aufweisen. Die poröse Mikrostruktur kann mindestens eine Pore mit einer veränderlichen Abmessung entlang einer vorbestimmten Richtung aufweisen. Eine mittlere Porengröße in der porösen Mikrostruktur kann innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 μm bis 200 μm liegen. Die poröse Mikrostruktur kann eine Porosität innerhalb des Bereichs von und einschließlich 50 bis 80 % aufweisen. Die Zwischenschicht kann ferner eine Vielzahl von Mikrokanälen aufweisen, die darauf in einem geeigneten Muster angeordnet sind. Mindestens einer aus der Vielzahl von Mikrokanälen kann ein Flächenmaß innerhalb des Bereichs von und einschließlich (10 μm)² bis (100 μm)² aufweisen. Mindestens einer aus der Vielzahl von Mikrokanälen kann eine Höhe innerhalb des Bereichs von und einschließlich 50 μm bis 2 mm aufweisen. Mindestens zwei aus der Vielzahl von Mikrokanälen können einen gegenseitigen Abstand innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 bis 150 μm aufweisen. Mindestens einer aus der Vielzahl der Mikrokanäle kann eine Breite innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 bis 100 μm auf weisen. Auf der Vielzahl von Mikrokanälen kann eine Beschichtung gebildet sein, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweist. Eine Überhangsabmessung kann innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0 bis 15 mm vorgesehen sein. Der Wärmetauscher kann ferner eine Vielzahl von zylindrischen Vorsprüngen umfassen, die eine geeignete Höhe aus dem Zirkulationsniveau hervorstehen, wobei jeder Vorsprung in Verbindung mit den ersten Öffnungen steht.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt eine elektronische Vorrichtung, die Wärme produziert, einen integrierten Schaltkreis, eine Zwischenschicht, um Wärme abzuführen, die die elektronische Vorrichtung produziert, wobei die Zwischenschicht eine Dicke in einem Bereich von ca. 0,3 bis ca. 1,0 mm aufweist, die Zwischenschicht integral mit dem integrierten Schaltkreis gebildet ist und ausgelegt ist, Fluid hindurchzuleiten, und eine Verteilerschicht, um Fluid in der Zwischenschicht zu zirkulieren, wobei die Verteilerschicht mindestens einen Einlassfluidpfad, um Fluid zu der Zwischenschicht zu leiten, und mindestens einen Auslaßfluidpfad, um Fluid aus der Zwischenschicht zu leiten, aufweist, wobei der mindestens eine Einlassfluidpfad und der mindestens eine Auslaßfluidpfad angeordnet sind, um einen optimalen gegenseitigen minimalen Fluidstreckenabstand bereitzustellen.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt ein geschlossener Regelkreis zum Kühlen mindestens eines integrierten Schaltkreises mindestens einen Wärmetauscher zum Absorbieren von Wärme, die der integrierte Schaltkreis erzeugt, wobei der Wärmetauscher ferner eine Zwischenschicht, die in Kontakt mit dem integrierten Schaltkreis ist und ausgelegt ist, Fluid hindurchzuleiten, wobei die Zwischenschicht eine Dicke in einem Bereich von ca. 0,3 bis ca. 1,0 mm aufweist, und eine Verteilerschicht, die mit der Zwischenschicht gekoppelt ist, umfaßt, wobei die Verteilerschicht mindestens einen Einlassfluidpfad, um Fluid zu der Zwischenschicht zu leiten, und mindestens einen Auslaßfluidpfad, um Fluid aus der Zwischenschicht zu leiten, aufweist, wobei der mindestens eine Einlassfluidpfad und der mindestens eine Auslaßfluidpfad angeordnet sind, um einen optimalen gegenseitigen minimalen Fluidstreckenabstand bereitzustellen, mindestens eine Pumpe, um Fluid durch den Regelkreis zu zirkulieren, wobei die Pumpe mit dem mindestens einen Wärmetauscher gekoppelt ist, und mindestens eine Einrichtung zur Wärmeausschleusung, die mit der Pumpe und dem Wärmetauscher gekoppelt ist, um aus dem Wärmetauscher geleitete, aufgewärmte Flüssigkeit zu kühlen.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden augenscheinlich nach einer Durchsicht der detaillierten Beschreibung von bevorzugten und alternativen Ausführungsformen, die unten aufgeführt sind.

Kurze Beschreibung der Figuren
1A zeigt eine Seitenansicht eines herkömmlichen Wärmetauschers.
1B zeigt eine Draufsicht des herkömmlichen Wärmetauschers.
1C zeigt in einer Seitenansicht eine Darstellung eines Wärmetauschers mit mehreren Niveaus gemäß dem Stand der Technik.
2A zeigt eine schematische Darstellung eines geschlossenen Regelkreises zum Kühlen, der eine alternative Ausführungsform des Mikrokanalwärmetauschers zur flexiblen Fluidabgabe der vorliegenden Erfindung beinhaltet.
2B zeigt eine schematische Darstellung eines geschlossenen Regelkreises zum Kühlen, der eine alternative Ausführungsform des Mikrokanalwärmetauschers zur flexiblen Fluidabgabe der vorliegenden Erfindung beinhaltet.
3A zeigt eine Draufsicht der alternativen Verteilerschicht des Wärmetauschers entsprechend der vorliegenden Erfindung.
3B zeigt eine Explosionsansicht des alternativen Wärmetauschers mit der alternativen Verteilerschicht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer verflochtenen Verteilerschicht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine Draufsicht der verflochtenen Verteilerschicht mit einer Zwischenschicht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
6A zeigt eine Querschnittsansicht der verflochtenen Verteilerschicht mit der Zwischenschicht der vorliegenden Erfindung entlang der Linie A-A.
6B zeigt eine Querschnittsansicht der verflochtenen Verteilerschicht mit der Zwischenschicht der vorliegenden Erfindung entlang der Linie B-B.
6C zeigt eine Querschnittsansicht der verflochtenen Verteilerschicht mit der Zwischenschicht der vorliegenden Erfindung entlang der Linie C-C.
7A zeigt eine Explosionsansicht der verflochtenen Verteilerschicht mit der Zwischenschicht der vorliegenden Erfindung.
7B zeigt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Zwischenschicht der vorliegenden Erfindung.
8A zeigt eine Darstellung einer Draufsicht einer alternativen Verteilerschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
8B zeigt eine Darstellung einer Draufsicht der Zwischenschicht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
8C zeigt eine Darstellung einer Draufsicht der Zwischenschicht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
9A zeigt eine Darstellung einer Seitenansicht der alternativen Ausführungsform des dreischichtigen Wärmetauschers entsprechend der vorliegenden Erfindung.
9B zeigt eine Darstellung einer Seitenansicht der alternativen Ausführungsform des zweischichtigen Wärmetauschers entsprechend der vorliegenden Erfindung.
10A bis 10E zeigen eine perspektivische Ansicht der Zwischenschicht mit verschiedenen Anordnungen von Mikrozapfen entsprechend der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt eine Darstellung einer teilweise weggebrochenen perspektivischen Ansicht eines alternativen Wärmetauschers entsprechend der vorliegenden Erfindung.
12A zeigt eine Explosionsansicht eines bevorzugten Wärmetauschers entsprechend der vorliegenden Erfindung.
12B zeigt eine Explosionsansicht eines alternativen Wärmetauschers entsprechend der vorliegenden Erfindung.
12C zeigt eine perspektivische Ansicht des alternativen Zirkulationsniveaus entsprechend der vorliegenden Erfindung.
12D zeigt eine perspektivische Ansicht der Unterseite des bevorzugten Einlassniveaus entsprechend der vorliegenden Erfindung.
12E zeigt eine perspektivische Ansicht der Unterseite eines alternativen Einlassniveaus entsprechend der vorliegenden Erfindung.
12F zeigt eine perspektivische Ansicht der Unterseite des bevorzugten Auslaßniveaus entsprechend der vorliegenden Erfindung.
12G zeigt eine perspektivische Ansicht der Unterseite eines alternativen Auslaßniveaus entsprechend der vorliegenden Erfindung.
12H zeigt eine Querschnittsansicht des bevorzugten Wärmetauschers entsprechend der vorliegenden Erfindung.
12I zeigt eine Querschnittsansicht des alternativen Wärmetauschers entsprechend der vorliegenden Erfindung.
13 zeigt eine Draufsicht des Zirkulationsniveaus mit der bevorzugten Anordnung von Einlass- und Auslaßöffnungen für eine einphasige Fluidströmung entsprechend der vorliegenden Erfindung.
14 zeigt eine Draufsicht des Zirkulationsniveaus mit der bevorzugten Anordnung von Einlass- und Auslaßöffnungen für eine zweiphasige Fluidströmung entsprechend der vorliegenden Erfindung.
15 zeigt eine Darstellung einer Seitenansicht der Zwischenschicht des Wärmetauschers, wobei auf diesem ein Beschichtungsmaterial angeordnet ist, entsprechend der vorliegenden Erfindung.
16 zeigt ein Flussdiagramm eines alternativen Verfahrens zur Herstellung des Wärmetauschers entsprechend der vorliegenden Erfindung.
17 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei Wärmetauscher mit einer Wärmequelle gekoppelt sind.
Detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung
Der Wärmetauscher nimmt thermische Energie, die von einer Wärmequelle erzeugt wird, im wesentlichen dadurch auf, daß Fluid durch bestimmte Bereiche der Zwischenschicht fließt, wobei die Zwischenschicht bevorzugt mit der Wärmequelle gekoppelt ist. Das Fluid ist insbesondere auf bestimmte Bereiche in der Zwischenschicht gerichtet, um die heißen Bereiche und Bereiche um die heißen Bereiche zu kühlen, um im wesentlichen eine Einheitlichkeit der Temperatur entlang der Wärmequelle zu erzeugen, wobei ein geringer Druckabfall in dem Wärmetauscher erhalten bleibt. Wie in den verschiedenen Ausführungsformen unten beschrieben, verwendet der Wärmetauscher eine Vielzahl von Öffnungen, Kanälen und/oder Fingern in der Verteilerschicht wie auch Leitungen in der Zwischenschicht, um Fluid aus und zu ausgewählten heißen Bereichen in der Zwischenschicht zu leiten und zu zirkulieren. Alternativ umfaßt der Wärmtauscher mehrere Anschlüsse, die besonders an vorbestimmten Stellen angeordnet sind, um Fluid direkt zu den heißen Bereichen zu liefern und aus diesen zu entfernen, um die Wärmequelle effektiv zu kühlen.
Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß, obwohl der Mikrokanalwärmetauscher der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem Kühlen von heißen Bereichen in einer Vorrichtung beschrieben und erläutert wird, der Wärmetauscher alternativ zum Beheizen von kalten Bereichen in einer Vorrichtung verwendet werden kann. Es sollte ferner festgestellt werden, daß, obwohl die vorliegende Erfindung bevorzugt als ein Mikrokanalwärmetauscher beschrieben wird, die vorliegende Erfindung in anderen Anwendungen verwendet werden kann und nicht auf die Beschreibung in dieser Schrift beschränkt ist.
2A zeigt eine schematische Darstellung eines geschlossenen Regelkreises 30 zum Kühlen, der hermetisch abgedichtet ist, wobei dieser einen alternativen Mikrokanalwärmetauscher 100 zur flexiblen Fluidabgabe entsprechend der vorliegenden Erfindung umfaßt. Zusätzlich zeigt 2B eine schematische Darstellung eines geschlossenen Regelkreises 30 zum Kühlen, der einen alternativen Mikrokanalwärmetauscher 100 zur flexiblen Fluidabgabe mit mehreren Anschlüssen 108, 109 entsprechend der vorliegenden Erfindung umfaßt. Es sollte festgestellt werden, daß der Regelkreis alternativ andere Ausführungsformen des Wärmetauschers beinhaltet und nicht auf den alternativen Wärmetauscher 100 beschränkt ist.
Wie in 2A gezeigt, sind die Fluidanschlüsse 108, 109 mit Fluidleitungen 38 gekoppelt, die mit einer Pumpe 32 und einem Wärmekondensator 30 gekoppelt sind. Die Pumpe 32 pumpt und zirkuliert Fluid in dem geschlossenen Regelkreis 30. In einer alternativen Ausführungsform wird ein Fluidanschluß 108 verwendet, um Fluid dem Wärmetauscher 100 zuzuführen. Ferner wird ein Fluidanschluß 109 verwendet, um Fluid aus dem Wärmetauscher 100 zu entfernen. In einer Ausführungsform tritt ein gleichförmiger konstanter Fluidmengenstrom in den Wärmetauscher 100 durch die Fluidanschlüsse 108, 109 ein und aus. Alternativ treten verschiedene Fluidmengenstrome durch die Einlass- und Auslaßöffnung(en) 108, 109 zu einer gegebenen Zeit ein und aus. Alternativ, wie in 2B gezeigt, stellt eine Pumpe Fluid für verschiedene bestimmte Einlassanschlüsse 108 bereit. Alternativ stellen mehrere Pumpen (nicht dargestellt) Fluid für ihre jeweiligen Einlass- und Auslaßanschlüsse 108, 109 bereit. Ferner wird das dynamische Mess- und Steuerungsmodul 34 alternativ in dem Regelkreis verwendet, um die Menge und die Strömungsrate des Fluids, das in den bevorzugten oder alternativen Wärmetauscher eintritt oder und diesem austritt, zu variieren und dynamisch zu steuern, als Reaktion auf variierende heiße Bereiche oder Änderungen der Wärmemenge in einem heißen Bereich wie auch der Positionen der heißen Bereiche.
3B zeigt eine Explosionsansicht des alternativen dreischichtigen Wärmetauschers 100 mit der alternativen Verteilerschicht entsprechend der vorliegenden Erfindung. Die alternative Ausführungsform, wie in 3B dargestellt, ist ein dreischichtiger Wärmetauscher 100, der eine Zwischenschicht 102, mindestens eine intermediäre Schicht 104 und mindestens eine Verteilerschicht 106 umfaßt. Alternativ, wie unten beschrieben, ist der Wärmtauscher 100 eine zweischichtige Vorrichtung, die die Zwischenschicht 102 und die Verteilerschicht 106 umfaßt. Wie in den 2A und 2B gezeigt, ist der Wärmetauscher 100 mit einer Wärmequelle 99, wie zum Beispiel einer elektronischen Vorrichtung, gekoppelt, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf, einen Mikrochip und einen integrierten Schaltkreis, wobei ein thermisches Zwischenschichtmaterial 98 bevorzugt zwischen der Wärmequelle 99 und dem Wärmetauscher 100 angeordnet ist. Alternativ ist der Wärmetauscher 100 direkt mit der Oberfläche der Wärmequelle 99 gekoppelt. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß der Wärmetauscher 100 alternativ integral in der Wärmequelle 99 gebildet ist, wodurch der Wärmetauscher 100 und die Wärmequelle 99 einstückig gebildet sind. Auf diese Weise ist die Zwischenschicht 102 integral mit der Wärmequelle 99 gebildet und ist als ein Teil mit der Wärmequelle gebildet.
Es ist bevorzugt, daß der Mikrokanalwärmetauscher der vorliegenden Erfindung ausgelegt ist, direkt oder indirekt in Kontakt mit der Wärmequelle 99 zu stehen, die eine rechtwinklige Form aufweist, wie in den Figuren dargestellt. Jedoch ist es für einen Fachmann offensichtlich, daß der Wärmetauscher 100 jegliche andere Form aufweisen kann, die der Form der Wärmequelle 99 entspricht. Beispielsweise kann der Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung ausgelegt sein, eine äußere halbkreisförmige Form aufzuweisen, die es dem Wärmetauscher (nicht dargestellt) ermöglicht, direkt oder indirekt in Kontakt mit einer entsprechenden halbkreisförmig geformten Wärmequelle (nicht dargestellt) zu sein. Ferner ist bevorzugt, daß der Wärmetauscher eine geringförmig größere Abmessung als die Wärmequelle, innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0,5 bis 5 mm, aufweist.
3A zeigt eine Draufsicht der alternativen Verteilerschicht 106 der vorliegenden Erfindung. Wie in 3B dargestellt, umfaßt die Verteilerschicht 106 insbesondere vier Seitenflächen wie auch eine obere Oberfläche 130 und eine untere Oberfläche 132. Die obere Oberfläche 130 ist jedoch in 3A entfernt, um die Funktionen der Verteilerschicht 106 geeig net darzustellen und zu beschreiben. Wie in 3A dargestellt, weist die Verteilerschicht 106 eine Reihe von Kanälen oder Leitungen 116, 118, 120, 122 wie auch Anschlüsse 108, 109 auf, die in dieser gebildet sind. Die Finger 118, 120 verlaufen vollständig durch den Körper der Verteilerschicht 106 in Z-Richtung, wie in 3B dargestellt. Alternativ verlaufen die Finger 118 und 120 teilweise durch die Verteilerschicht 106 in Z-Richtung und weisen Öffnungen auf, wie in 3A dargestellt. Ferner verlaufen die Leitungen 116 und 122 teilweise durch die Verteilerschicht 106. Die übrigen Bereiche zwischen den Einlass- und Auslaßleitungen 116, 120, die mit 107 bezeichnet sind, verlaufen von der oberen Oberfläche 130 zu der unteren Oberfläche 132 und bilden den Körper der Verteilerschicht 106.
Wie in 3A dargestellt, tritt das Fluid durch den Einlassanschluß 108 in die Verteilerschicht 106 ein und strömt entlang des Einlaßkanals 116 zu verschiedenen Fingern 118, die von dem Kanal 116 in verschiedene Richtungen in X- und/oder Y-Richtung abzweigen, um Fluid ausgewählten Bereichen in der Zwischenschicht 102 zuzuführen.
Die Finger 118 sind in verschiedenen vorbestimmten Richtungen angeordnet, um Fluid den Bereichen in der Zwischenschicht 102 zuzuführen, die den Bereichen an oder nahe den heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechen. Diese Bereiche in der Zwischenschicht 102 werden in dieser Schrift folgend als ein einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechender Zwischenschichtbereich bezeichnet. Die Finger sind ausgelegt, einen örtlich wie auch zeitlich variierenden, einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich zu kühlen. Wie in 3A dargestellt, sind die Kanäle 116, 122 und Finger 118, 120 in der X- und/oder Y-Richtung in der Verteilerschicht 106 angeordnet. Die verschiedenen Richtungen der Kanäle 116, 122 und Finger 118, 120 ermöglichen die Abgabe des Fluids, um die heißen Bereiche in der Wärmequelle 99 zu kühlen und/oder einen Druckabfall in den Wärmetauscher 100 zu minimieren. Alternativ sind die Kanäle 116, 122 und Finger 118, 120 periodisch in der Verteilerschicht 106 angeordnet und weisen ein Muster auf, wie in dem in den 4 und 5 gezeigten Beispiel.
Die Anordnung wie auch die Abmessungen der Finger 118, 120 sind in Anbetracht der heißen Bereiche in der Wärmequelle 99, die gekühlt werden sollen, festgelegt. Die Positionen der heißen Bereiche wie auch die Wärmemenge, die nahe oder an jedem heißen Bereich produziert wird, werden verwendet, um die Verteilerschicht 106 so auszulegen, daß die Finger 118, 120 oberhalb oder nahe den heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereichen in der Zwischenschicht 102 angeordnet sind. Die Verteilerschicht 106 ermöglicht es bevorzugt einem einphasigen und/oder zweiphasigen Fluid, zu der Zwischenschicht 102 zu zirkulieren, ohne das Auftreten eines wesentlichen Druckabfalls in dem Wärmetauscher 100 und dem Regelkreis 30 (2A) zu erlauben. Die Fluidabgabe an die heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereiche erzeugt eine gleichförmige Temperatur an dem einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich wie auch in Bereichen in der Wärmequelle, die benachbart zu den heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereichen sind.
Die Abmessungen wie auch die Anzahl der Kanäle 116 und Finger 118 hängen von einer Reihe von Faktoren ab. In einer Ausführungsform weisen die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 dieselbe Breite auf. Alternativ weisen die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 verschiedene Breiten auf. Die Breiten der Finger 118, 120 liegen innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0,25 bis 0,50 mm. In einer Ausführungsform weisen die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 dieselbe Länge und Tiefe auf. Alternativ weisen die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 verschiedene Längen und Tiefen auf. In einer weiteren Ausführungsform weisen die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 verschiedene Breiten entlang der Länge der Finger auf. Die Länge der Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 liegt innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0,5 mm bis zu dem dreifachen der Größe der Länge der Wärmequelle. Ferner weisen die Finger 118, 120 eine Höhe oder Tiefe innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0,25 bis 0,5 mm auf. Ferner sind alternativ weniger als 10 oder mehr als 30 Finger pro Zentimeter in der Verteilerschicht 106 angeordnet. Jedoch ist für einen Fachmann offensichtlich, daß zwischen 10 und 30 Finger pro Zentimeter in der Verteilerschicht ebenso in Betracht kommen.
In der vorliegenden Erfindung wird ferner in Betracht gezogen, daß die Geometrien der Finger 118, 120 und Kanäle 116, 122 zugeschnitten sind, in einer nichtperiodischen Anordnung vorgesehen zu sein, um ein optimiertes Kühlen von heißen Bereichen der Wärmequelle zu unterstützen. Um eine gleichförmige Temperatur entlang der Wärmequelle 99 zu erreichen, ist die örtliche Verteilung der Wärmeübertragung an das Fluid an die örtliche Verteilung der Wärmeerzeugung angepaßt. Während das Fluid entlang der Zwischenschicht durch die Mikrokanäle 110 fließt, steigt dessen Temperatur an und es beginnt, sich unter zweiphasigen Zuständen in Dampf zu wandeln. Das Fluid unterliegt daher einer erheblichen Expansion, was zu einem erheblichen Geschwindigkeitsanstieg führt. Im allgemeinen wird die Effizienz der Wärmeübertragung von der Zwischenschicht zu dem Fluid aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit verbessert. Daher ist es möglich, die Effizienz der Wärmeübertragung an das Fluid anzupassen, indem die Querschnittsabmessungen der Fluidabgabe und der ableitenden Finger 118, 120 und Kanäle 116, 122 in dem Wärmetauscher 100 eingestellt wird.
Beispielsweise kann ein bestimmter Finger für eine Wärmequelle gestaltet sein, bei der eine größere Wärmeerzeugung nahe des Einlasses stattfindet. Ferner kann es vorteilhaft sein, einen größeren Querschnitt für die Bereiche der Finger 118, 120 und Kanäle 116, 122 vorzusehen, wo eine Mischung aus Fluid und Dampf erwartet wird. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann ein Finger so gestaltet sein, daß er mit einem kleinen Querschnittsbereich an dem Einlaß beginnt, um eine hohe Geschwindigkeit des Fluidstroms zu erreichen. Der bestimmte Finger oder Kanal kann ebenso ausgelegt sein, sich auf einen größeren Querschnitt an einen stromabwärts gelegenen Auslaß aufzuweiten, um eine geringere Strömungsgeschwindigkeit zu bewirken. Diese Gestaltung des Fingers oder Kanals ermöglicht es dem Wärmetauscher, einen Druckabfall zu minimieren und ein Kühlen der heißen Bereiche dort zu optimieren, wo das Fluid an Volumen, Beschleunigung und Geschwindigkeit aufgrund eines Wandels von Flüssigkeit zu Dampf in einer zweiphasigen Strömung zunimmt.
Ferner können die Finger 118, 120 und Kanäle 116, 122 gestaltet sein, sich entlang deren Länge aufzuweiten und dann erneut einzuengen, um die Geschwindigkeit des Fluids an ver schiedenen Stellen in dem Mikrokanalwärmetauscher 100 zu erhöhen. Alternativ ist es zweckdienlich, die Abmessungen des Fingers und des Kanals von groß auf klein und zurück einige Male zu ändern, um die Wärmeübertragungseffizienz auf die erwartete Wärmedissipationsverteilung entlang der Wärmequelle 99 zuzuschneiden. Es sollte festgestellt werden, daß die obige Beschreibung der variierenden Abmessungen der Finger und Kanäle ebenso für weitere beschriebene Ausführungsformen gilt und nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist.
Wie in 3A gezeigt, umfaßt die Verteilerschicht 106 alternativ eine oder mehrere Öffnungen 119 in den Einlaßfingern 118. In dem dreischichtigen Wärmetauscher 100 strömt das Fluid, das entlang der Finger 118 strömt, durch die Öffnungen 119 nach unten zu der intermediäre Schicht 104. Alternativ strömt in dem zweischichtigen Wärmetauscher 100 das Fluid, das entlang der Finger 118 strömt, durch die Öffnungen 119 direkt nach unten zu der Zwischenschicht 102. Wie in 3A gezeigt, umfaßt die Verteilerschicht 106 Öffnungen 121 in den Auslaßfingern 120. In dem dreischichtigen Wärmetauscher 100 strömt das Fluid, das aus der intermediären Schicht 104 strömt, durch die Öffnungen 121 nach oben in die Auslaßfinger 120. Alternativ strömt in dem zweischichtigen Wärmetauscher 100 das Fluid, das aus der Zwischenschicht 102 strömt, direkt durch die Öffnungen 121 in die Auslaßfinger 120.
In der alternativen Ausführungsform sind die Einlaß- und Auslaßfinger 118, 120 offene Kanäle, die keine Öffnungen aufweisen. Die untere Oberfläche 103 der Verteilerschicht 106 liegt an der oberen Oberfläche der intermediären Schicht 104 in dem dreischichtigen Tauscher 100 an oder liegt an der Zwischenschicht 102 in dem zweischichtigen Tauscher an. In dem dreischichtigen Wärmetauscher 100 strömt das Fluid daher frei zu und aus der intermediären Schicht 104 und der Zwischenschicht 106. Das Fluid wird zu und aus dem geeigneten einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich durch Leitungen 105 in der intermediären Schicht 104 geleitet. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß die Leitungen 105 direkt an den Fingern ausgerichtet sind, wie unten beschrieben, oder an einem anderen Ort in dem dreischichtigen System angeordnet sind.
Obwohl 3B den alternativen dreischichtigen Wärmetauscher 100 mit der alternativen Verteilerschicht zeigt, ist der Wärmetauscher 100 alternativ eine zweischichtige Struktur, die die Verteilerschicht 106 und die Zwischenschicht 102 umfaßt, wodurch das Fluid direkt zwischen der Verteilerschicht 106 und der Zwischenschicht 102 fließt, ohne durch die Zwischenschicht 104 zu fließen. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß der Aufbau der Verteilerschichten, der Zwischenschichten und der intermediären Schichten lediglich zum Zwecke der beispielhaften Darstellung gezeigt ist und dieser daher nicht auf den dargestellten Aufbau beschränkt ist.
Wie in 3B dargestellt, umfaßt die intermediäre Schicht 104 eine Vielzahl von Leitungen 105, die durch diese verlaufen. Die Einströmleitungen 105 leiten Fluid, das von der Verteilerschicht 106 eintritt, an die bestimmten einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereiche in der Zwischenschicht 102. Auf ähnliche Weise kanalisieren die Öffnungen 105 ebenso einen Fluidstrom von der Zwischenschicht 102 zu dem AuslaßFluidanschluß (Auslaßfluidanschlüssen) 109. Auf diese Weise stellt die intermediäre Schicht 104 ebenso eine Fluidabgabe von der Zwischenschicht 102 an den AuslaßFluidanschluß 109 bereit, wobei der AuslaßFluidanschluß 108 in Verbindung mit der Verteilerschicht 106 steht.
Die Leitungen 105 sind in der Zwischenschicht 104 in einem vorbestimmten Muster angeordnet, basierend auf einer Reihe von Faktoren, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf, die Positionen der einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereiche, die Fluidstrommenge, die in dem einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich benötigt wird, um die Wärmequelle 99 geeignet zu kühlen, und die Temperatur des Fluids. Die Leitungen weisen eine Breite von 100 μm auf, obwohl andere Breiten bis zu mehreren Millimetern ebenso betrachtet werden. Ferner weisen die Leitungen 105 andere Abmessungen auf, die mindestens von den zuvor genannten Faktoren abhängen. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß jede Leitung 105 in der intermediären Schicht 104 dieselbe Form und/oder Abmessung aufweist, obwohl dies nicht notwendig ist.
Zum Beispiel weisen die Leitungen alternativ eine variierende Länge und/oder Breite auf, wie die oben beschriebenen Finger. Ferner weisen die Leitungen 105 eine konstante Tiefe oder Höhe in der intermediären Schicht 104 auf. Alternativ weisen die Leitungen 105 eine variierende Tiefe in der intermediären Schicht 104 auf, wie z.B. eine Trapezform oder eine Düsenform. Obwohl die horizontale Form der Leitungen 105 in 2C rechtwinklig gezeigt ist, weisen die Leitungen 105 alternativ jede andere Form auf, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf kreisförmig (3A), bogenförmig und elliptisch. Alternativ sind eine oder mehrere Leitungen 105 mit einem Abschnitt von einem oder allen des bzw. der obigen Finger geformt und weisen dieselbe Kontur auf.
Die intermediäre Schicht 104 ist horizontal in dem Wärmetauscher 100 angeordnet, wobei die Leitungen 105 vertikal angeordnet sind. Alternativ ist die intermediäre Schicht 104 in einer anderen Richtung in dem Wärmetauscher 100 angeordnet, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf, diagonale und gebogene Formen. Alternativ sind die Leitungen 105 in der intermediären Schicht 104 in einer horizontalen, diagonalen, gebogenen oder anderen Richtung angeordnet. Ferner verläuft die intermediäre Schicht 104 horizontal entlang der gesamten Länge des Wärmetauschers 100, wobei die intermediäre Schicht 104 die Zwischenschicht 102 vollständig von der Verteilerschicht 106 trennt, um das Fluid dazu zu zwingen, durch die Leitungen 105 kanalisiert zu werden. Alternativ umfaßt ein Abschnitt des Wärmetauschers 100 nicht die intermediäre Schicht 104 zwischen der Verteilerschicht 106 und der Zwischenschicht 102, wodurch das Fluid frei zwischen diesen strömen kann. Ferner verläuft die intermediäre Schicht 104 alternativ vertikal zwischen der Verteilerschicht 106 und der Zwischenschicht 102, um getrennte, verschiedene intermediäre Schichtbereiche zu bilden. Alternativ verläuft die intermediäre Schicht 104 nicht vollständig von der Verteilerschicht 106 bis zu der Zwischenschicht 102.
10A zeigt eine perspektivische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform der Zwischenschicht 302 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Wie in 10A gezeigt, umfaßt die Zwischenschicht 302 eine Reihe von Säulen 303, die von der unteren Oberfläche 301 zu der Zwischenschicht 302 nach oben verlaufen. Ferner zeigt 10A eine mikroporöse Struktur 301, die auf der unteren Oberfläche der Zwischenschicht 302 angeordnet ist. Es ist offensichtlich, daß die Zwischenschicht 302 nur die mikroporöse Struktur 301 oder auch eine Kombination der mikroporösen Struktur mit jedem anderen Zwischenschichtmerkmal (beispielsweise Mikrokanäle, Säulen usw.) umfassen kann.
Die bevorzugte Zwischenschicht 302 umfaßt die Säulen 303 und nicht die Mikrokanäle, aufgrund des Fluidstromes von den Einlaßöffnungen zu den umgebenden Auslaßöffnungen in der bevorzugten Verteilerschicht 302 (12A). Wie weiter unten genauer beschrieben wird, bewegt sich das Fluid nach unten zu der Zwischenschicht 302 durch eine Reihe von Einlaßöffnungen, wobei das Fluid dann aus der Zwischenschicht 302 durch eine Reihe von Auslaßöffnungen austritt, die einen optimalen Abstand zu den Einlaßöffnungen aufweisen. Das Fluid bewegt sich mit anderen Worten weg von jeder Einlaßöffnung zu der nächsten Auslaßöffnung. Bevorzugt ist jede Einlaßöffnung von Auslaßöffnungen umgeben. Auf diese Weise wird Fluid, das in die Zwischenschicht 302 eintritt, in Richtung der umgebenden Auslaßöffnungen strömen. Daher sind die Säulen 303 in der Zwischenschicht 302 bevorzugt, um eine ausreichende Wärmeübertragung an das Fluid zu ermöglichen und es zu erlauben, daß das Fluid den geringsten Druckabfall erfährt, während es von den Einlaßöffnungen zu den Auslaßöffnungen strömt.
Die Zwischenschicht 302 umfaßt bevorzugt eine dichte Anordnung von großen, schmalen Säulen 303, die senkrecht aus der unteren Oberfläche 301 hervorstehen und in Kontakt mit der unteren Oberfläche der Verteilerschicht sind. Alternativ sind die Säulen 303 nicht in Kontakt mit der unteren Oberfläche der Verteilerschicht. Ferner verläuft mindestens eine der Säulen 303 alternativ in einem Winkel zu der unteren Oberfläche 301 der Zwischenschicht 302. Die Säulen 303 weisen bevorzugt untereinander einen gleichen Abstand entlang der Zwischenschicht 302 auf, so daß die Wärmeübertragungskapazitäten der Zwischenschicht 302 gleichförmig entlang deren unterer Oberfläche 301 sind. Alternativ weisen die Säulen 303 untereinander nicht den gleichen Abstand auf, wie in 10B gezeigt, in der die Säulen 303 in der Mitte der Zwischenschicht 302 weiter voneinander beabstandet sind als die Säulen 303 an den Rändern. Die Säulen 303 weisen untereinander einen Abstand auf, der von den Abmessungen der Wärmequelle 99 und des Strömungswiderstandes des Fluids wie auch der Größe und den Positionen der heißen Bereiche und der Wärmeflußdichte von der Wärmequelle 99 abhängt. Beispielsweise bietet eine geringere Dichte von Säulen 303 einen geringeren Strömungswiderstand, bietet jedoch ebenso einen geringeren Oberflächenbereich zur Wärmeübertragung von der Zwischenschicht 302 an das Fluid. Es sollte festgestellt werden, daß der Aufbau der nicht periodisch beabstandeten Säulen 303, der in der Ausführungsform der 10B gezeigt ist, nicht darauf beschränkt ist und diese in jeder anderen Anordnung angeordnet werden können, abhängig von den Rahmenbedingungen der Wärmequelle wie auch dem gewünschten Betrieb des Kühlregelkreises 30 (2A).
Ferner sind die Säulen 303 bevorzugt kreisförmige Zylinder, wie in 10A gezeigt, um es dem Fluid zu ermöglichen, von den Einlaßöffnungen zu den Auslaßöffnungen mit einem geringsten Widerstandswert zu strömen. Die Säulen 303 weisen alternativ jedoch andere Formen auf, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf, quadratisch 303B (10B), rautenförmig, elliptisch 303C (10C), hexagonal 303D (10D) oder jede andere Form. Ferner weist die Zwischenschicht 302 alternativ eine Kombination von verschieden geformten Säulen entlang der unteren Oberfläche 301 auf.
Die Zwischenschicht 302 weist beispielsweise verschiedene Gruppen von rechtwinkligen Rippen 303E auf, die radial zueinander in ihrer jeweiligen Gruppe angeordnet sind, wie beispielsweise in 10E gezeigt. Die Zwischenschicht 302 umfaßt ferner verschiedene Säulen 303B, die zwischen den Gruppen von rechtwinkligen Rippen 303E angeordnet sind. In einer Ausführungsform sind die offenen kreisförmigen Bereiche innerhalb der radial angeordneten rechtwinkligen Rippen 303E unter jeder Einlaßöffnung angeordnet, wodurch die Rippen 303E ein Führen des Stromes zu den Auslaßöffnungen unterstützen. Auf diese Weise unterstützen die radial angeordneten Rippen 303E ein Minimieren des Druckabfalls, während gleichzeitig eine nahezu gleichförmige Verteilung des Kühlfluids entlang der Zwischenschicht 302 er reicht wird. Abhängig von der Größe und relativen Anordnung der Einlaß- und Auslaßöffnungen gibt es viele mögliche Anordnungen der Säulen und/oder Rippen, und die Auswahl der optimalen Anordnung der Zwischenschicht 302 hängt davon ab, ob das Fluid einphasigen oder zweiphasigen Strömungszuständen unterliegt. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß die verschiedenen Anordnungen der Säulen 303 bei jeder der Ausführungsformen und Varianten derselben, die in dieser Schrift beschrieben sind, vorgesehen sein können.
Es ist bevorzugt, daß der Wärmetauscher 100 der vorliegenden Erfindung größer als die Wärmequelle 99 ist. In dem Fall, in dem der Wärmetauscher 100 größer als die Wärmequelle 99 ist, liegt eine Überhangsabmessung vor. Die Überhangsabmessung ist der weiteste Abstand zwischen einer äußeren Wand der Wärmequelle 99 und der inneren Fluidkanalwand des Wärmetauschers 100, wie z.B. der inneren Wand des EinlaßAnschlußes 316 (12A). In der bevorzugten Ausführungsform ist die Überhangsabmessung innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0 bis 5 mm für einphasige und 0 bis 15 mm für zweiphasige Fluide. Ferner weist die Zwischenschicht 302 der vorliegenden Erfindung bevorzugt eine Dicke innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0,3 bis 0,7 mm für einphasige Fluide und 0,3 bis 1,0 mm für zweiphasige Fluide auf.
In der Ausführungsform des Wärmetauschers, bei der eine mikroporöse Struktur 301, die auf der Zwischenschicht 302 angeordnet ist, verwendet wird, weist die mikroporöse Struktur 301 eine mittlere Porengröße innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 bis 200 μm für einphasige wie auch zweiphasige Fluide auf. Ferner weist die mikroporöse Struktur 301 eine Porosität innerhalb des Bereichs von und einschließlich 50 bis 80% für einphasige wie auch für zweiphasige Fluide auf. Die Höhe der mikroporösen Struktur 301 liegt innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0,25 bis 2,00 mm für einphasige wie auch für zweiphasige Fluide.
In der Ausführungsform, die Säulen und/oder Mikrokanäle entlang der Zwischenschicht 302 verwendet, weist die Zwischenschicht 302 der vorliegenden Erfindung eine Dicke innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0,3 bis 0,7 mm für einphasige Fluide und 0,3 bis 1,0 mm für zweiphasige Fluide auf. Ferner liegt der Bereich einer jeden Säule oder eines jeden Mikrokanals innerhalb des Bereichs von und einschließlich 100 μm² bis 10 mm² für einphasige wie auch für zweiphasige Fluide. Ferner liegt der Bereich des Trennungsabstands zwischen jeder der Säulen und/oder der Mikrokanäle innerhalb des Bereichs von und einschließlich 100 μm² bis 22,5 mm² für einphasige wie auch für zweiphasige Fluide. Die Breite der Mikrokanäle liegt innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 bis 100 μm für einphasige wie auch für zweiphasige Fluide. Die Höhe der Mikrokanäle und/oder der Säulen liegt innerhalb des Bereichs von und einschließlich 50 bis 800 μm für einphasiges Fluid und 50 μm bis 2 mm für zweiphasiges Fluid. Ein Fachmann erkennt, daß alternativ andere Abmessungen verwendet werden können.
3B zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Zwischenschicht 102 entsprechend der vorliegenden Erfindung. Wie in 3B gezeigt, umfaßt die Zwischenschicht 102 eine untere Oberfläche 103 und eine Vielzahl von Mikrokanalwänden 110, wobei der Bereich zwischen den Mikrokanalwänden 110 Fluid entlang eines Fluidströmungspfades kanalisiert oder leitet. Die untere Oberfläche 103 ist eben und weist eine hohe thermische Leitfähigkeit auf, um eine ausreichende Wärmeübertragung von der Wärmequelle 99 zu gewährleisten. Alternativ umfaßt die untere Oberfläche 103 Mulden und/oder Kämme, die ausgelegt sind, Fluid an einer bestimmten Stelle zu sammeln oder davon zurückzudrängen. Die Mikrokanalwände 110 sind parallel angeordnet, wie in 3B gezeigt, wodurch Fluid zwischen den Mikrokanalwänden 110 entlang eines Fluidpfades strömt.
Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß die Mikrokanalwände 110 alternativ in jeder anderen geeigneten Anordnung angeordnet sind, abhängig von den Faktoren, die oben beschrieben sind. Beispielsweise weist die Zwischenschicht 102 alternativ Rillen zwischen Abschnitten der Mikrokanalwände 110 auf, wie in 8C gezeigt. Ferner weisen die Mikrokanalwände 110 Abmessungen auf, die einen Druckabfall oder Druckunterschied innerhalb der Zwischenschicht 102 minimieren. Es ist ebenso offensichtlich, daß beliebige andere Merkma le, neben den Mikrokanalwänden 110, ebenso betrachtet werden, umfassend, jedoch nicht begrenzt auf, aufgerauhte Oberflächen und eine mikroporöse Struktur, wie z.B Sintermetall und Siliziumschaum. Zum Zwecke der beispielhaften Darstellung werden die parallelen Mikrokanalwände 110, die in 3B gezeigt sind, jedoch verwendet, um die Zwischenschicht 102 in der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Alternativ weisen die Mikrokanalwände 110 einen nichtparallelen Aufbau auf.
Die Mikrokanalwände 110 ermöglichen es dem Fluid, einem Wärmeaustausch entlang ausgewählter Stellen heißer Bereiche des einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereichs zu unterliegen, um die Wärmequelle 99 an dieser Stelle zu kühlen. Die Mikrokanalwände 110 weisen eine Breite innerhalb des Bereichs von 10 bis 100 μm und eine Höhe innerhalb des Bereichs von 50 μm bis 2 mm auf, abhängig von der Leistung der Wärmequelle 99. Die Mikrokanalwände 110 weisen eine Länge auf, die zwischen 100 μm und mehreren Zentimetern liegt, abhängig von den Abmessungen der Wärmequelle wie auch der Größe der heißen Bereiche und der Wärmeflußdichte von der Wärmequelle. Alternativ kann jede andere Mikrokanalwandabmessung betrachtet werden. Die Mikrokanalwände 110 sind voneinander durch eine Trennungsabmessung in dem Bereich von 50 bis 500 μm getrennt, abhängig von der Leistung der Wärmequelle 99, obwohl jeder andere Bereich des Trennungsabstands ebenso betrachtet wird.
Unter erneutem Bezug auf die Anordnung in 3B ist die obere Oberfläche der Verteilerschicht 106 weggebrochen, um die Kanäle 116, 122 und Finger 118, 120 in dem Körper der Verteilerschicht 106 zu zeigen. Die Stellen in der Wärmequelle 99, die mehr Wärme erzeugen, werden hiermit als heiße Bereiche bezeichnet, wodurch die Stellen in der Wärmequelle 99, die weniger Wärme produzieren, hiermit als warme Bereiche bezeichnet werden. Die Wärmequelle 99 ist mit einem heißen Bereich gezeigt, nämlich an der Stelle A, und mit einem warmen Bereich gezeigt, nämlich an der Stelle B, wie in 3B gezeigt. Die Bereiche der Zwischenschicht 102, die an den heißen und warmen Bereichen anliegen, werden entsprechend als ein einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechender Zwischenschichtbe reich bezeichnet. Wie in 3B gezeigt, umfaßt die Zwischenschicht 102 einen einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich A, der oberhalb der Stelle A angeordnet ist, und einen einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich B, der oberhalb der Stelle B angeordnet ist.
Wie in den 3A und 3B gezeigt, tritt das Fluid anfangs durch einen Einlaßanschluß 108 in den Wärmetauscher 100 ein. Das Fluid strömt dann zu einem Einlaßkanal 116. Alternativ umfaßt der Wärmetauscher 100 mehr als einen Einlaßkanal 116. Wie in den 3A und 3B gezeigt, verzweigt das Fluid, das entlang des Einlaßkanals 116 von dem Einlaßanschluß 108 strömt, am Anfang in den Finger 118D. Ferner strömt das Fluid, das entlang dem übrigen Einlaßkanal 116 weiterströmt, in die einzelnen Finger 118B und 118C usw.
In 3B wird Fluid einem einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich A zugeführt, indem es zu dem Finger 118A strömt, wodurch das Fluid nach unten durch den Finger 118A zu der intermediären Schicht 104 strömt. Das Fluid strömt dann durch die Einlaßleitung 105A, die unter dem Finger 118A angeordnet ist, zu der Zwischenschicht 102, wodurch das Fluid einem thermischen Austausch mit der Wärmequelle 99 unterliegt. Wie beschrieben, können die Mikrokanäle in der Zwischenschicht 102 in jeder Richtung angeordnet werden. Aus diesem Grund sind die Mikrokanäle 111 in dem Zwischenschichtbereich A senkrecht zu den übrigen Mikrokanälen 110 in der Zwischenschicht 102 angeordnet. Daher strömt das Fluid von der Leitung 105A entlang der Mikrokanäle 111, wie in 3B gezeigt, trotz des Fluidflusses in anderen Richtungen entlang der übrigen Bereiche der Zwischenschicht 102. Die erwärmte Flüssigkeit strömt dann nach oben durch die Leitung 105B zu dem Auslaßfinger 120A.
Auf ähnliche Weise strömt Fluid nach unten in Z-Richtung durch die Finger 118E und 118F zu der intermediären Schicht 104. Das Fluid strömt dann durch die Einlaßleitung 105C nach unten in Z-Richtung zu der Zwischenschicht 102. Das erwärmte Fluid strömt dann nach oben in Z-Richtung aus der Zwischenschicht 102 durch die Auslaßleitung 105D zu den Auslaßfin gern 120E und 120F. Der Wärmetauscher 100 entfernt das erwärmte Fluid in der Verteilerschicht 106 durch die Auslaßfinger 120, wobei die Auslaßfinger 120 in Verbindung mit dem Auslaßkanal 122 sind. Der Auslaßkanal 122 ermöglicht es dem Fluid, aus dem Wärmetauscher durch einen Auslaßanschluß 109 zu strömen.
Es ist bevorzugt, daß auch die Einström- und Ausströmleitungen 105 direkt oder nahezu direkt oberhalb geeigneten heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereichen angeordnet sind, um Fluid den heißen Bereichen in der Wärmequelle 99 direkt zuzuführen. Ferner ist jeder Auslaßfinger 120 ausgelegt, am dichtesten an einem entsprechenden Einlaßfinger 118 für einen bestimmten einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich angeordnet zu werden, um einen Druckabfall zwischen diesen zu verringern. Daher tritt das Fluid in die Zwischenschicht 102 durch den Einlaßfinger 118A ein und strömt die geringste Wegstrecke entlang der unteren Oberfläche 103 der Zwischenschicht 102, bevor es aus der Zwischenschicht 102 zu dem Auslaßfinger 120A austritt. Es ist offensichtlich, daß die Wegstrecke, die das Fluid entlang der unteren Oberfläche 103 strömt, geeignet Wärme abführt, die von der Wärmequelle 99 erzeugt wird, ohne einen unnötigen Druckabfall zu erzeugen. Wie in den 3A und 3B gezeigt, sind die Ecken in den Fingern 118, 120 ferner gekrümmt, um einen Druckabfall des Fluids, das entlang der Finger 118 strömt, zu verringern.
Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß der Aufbau der Verteilerschicht 106, der in den 3A und 3B gezeigt ist, lediglich der beispielhaften Darstellung dient. Der Aufbau der Kanäle 116 und Finger 118 in der Verteilerschicht 106 hängt von einer Reihe von Faktoren ab, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf, die Positionen der heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereichen, der Strömungsmenge zu und von den heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereichen, und die Wärmemenge, die von der Wärmequelle in den heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereichen erzeugt wird. Zum Beispiel umfaßt ein möglicher Aufbau der Verteilerschicht 106 ein ineinandergreifendes Muster von parallelen Einlaß- und Auslaßfingern, die alternativ entlang der Breite der Verteilerschicht angeordnet sind, wie in 4 bis 7A gezeigt und unten beschrieben ist. Unabhängig davon kann jeder andere Aufbau der Kanäle 116 und Finger 118 betrachtet werden.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Verteilerschicht 406 entsprechend dem Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung. Die Verteilerschicht 406 in 4 umfaßt eine Vielzahl von verflochtenen oder ineinandergreifenden parallelen Fluidfingern 411, 412, die es einem einphasigen und/oder zweiphasigen Fluid ermöglichen, zu der Zwischenschicht 402 zu zirkulieren, ohne das Auftreten eines erheblichen Druckabfalls in dem Wärmetauscher 400 und dem Regelkreis 30 (2A) zuzulassen. Wie in 8 gezeigt, sind die Einlaßfinger 411 abwechselnd zu den Auslaßfingern 412 angeordnet. Jedoch erkennt ein Fachmann, daß eine bestimmte Anzahl von Einlaß- oder Auslaßfingern nahe aneinander angeordnet sein kann und diese daher nicht auf den abwechselnden Aufbau beschränkt ist, der in 4 gezeigt ist. Ferner sind die Finger alternativ so gestaltet, daß ein paralleler Finger eine Verzweigung zu oder eine Verbindung mit einem weiteren parallelen Finger aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, viel mehr Einlaßfinger als Auslaßfinger und umgekehrt vorzusehen.
Die Einlaßfinger oder Einlaßleitungen 411 führen das Fluid, das in den Wärmetauscher eintritt, der Zwischenschicht 402 zu, und die Auslaßfinger oder Auslaßleitungen 412 entfernen das Fluid aus der Zwischenschicht 402, das dann aus dem Wärmetauscher 400 austritt. Der gezeigte Aufbau der Verteilerschicht 406 ermöglicht es dem Fluid, in die Zwischenschicht 402 einzutreten und eine sehr kurze Weglänge in der Zwischenschicht 402 zu strömen, bevor es in die Auslaßleitung 412 eintritt. Die erhebliche Verringerung der Weglänge, die das Fluid entlang der Zwischenschicht 402 strömt, verringert erheblich den Druckabfall in dem Wärmetauscher 400 und dem Regelkreis 30 (2A).
Wie in den 4 bis 5 zeigt, umfaßt die alternative Verteilerschicht 406 eine Leitung 414, die in Verbindung mit zwei Einlaßleitungen 411 ist und dorthin Fluid zuführt. Wie in den 8 bis 9 gezeigt, umfaßt die Verteilerschicht 406 drei Auslaßleitungen 412, die in Verbindung mit der Leitung 418 sind. Die Leitungen 414 in der Verteilerschicht 406 weisen eine ebene untere Oberfläche auf, die Fluid zu den Fingern 411, 412 kanalisiert. Alternativ weist die Leitung 414 eine geringe Neigung auf, die das Kanalisieren des Fluids zu ausgewählten Fluidleitungen 411 unterstützt. Alternativ umfaßt die Einlaßleitung 414 eine oder mehrere Öffnungen in ihrer unteren Oberfläche, die es einem Teil des Fluids ermöglichen, nach unten zu der Zwischenschicht 402 zu strömen. Auf ähnliche Weise weist die Leitung 418 in der Verteilerschicht eine ebene untere Oberfläche auf, die das Fluid enthält und das Fluid zu dem Anschluß 408 kanalisiert. Alternativ weist die Leitung 418 eine geringe Neigung auf, die ein Kanalisieren des Fluids zu ausgewählten Auslaßanschlüssen 408 unterstützt. Ferner weisen die Leitungen 414, 418 eine Breite von ca. 2 mm auf, obwohl jede andere Breite alternativ betrachtet wird.
Die Leitungen 414, 418 stehen in Verbindung mit Anschlüssen 408, 409, wobei die Anschlüsse mit dem Fluidleitungen 38 in dem Regelkreis 30 (2A) gekoppelt sind. Die Verteilerschicht 406 umfaßt horizontal angeordnete Fluidanschlüsse 408, 409. Alternativ umfaßt die Verteilerschicht 406 vertikal und/oder diagonal angeordnete Fluidanschlüsse 408, 409, wie unten beschrieben, obwohl nicht in den 4 bis 7 dargestellt. Alternativ weist die Verteilerschicht 406 keine Leitung 414 auf. Dann wird das Fluid direkt zu den Fingern 411 von den Anschlüssen 408 geleitet. Wiederum weist die Verteilerschicht 411 alternativ keine Leitung 418 auf, wodurch das Fluid in den Fingern 412 direkt aus dem Wärmetauscher 400 durch die Anschlüsse 408 strömt. Es ist offensichtlich, daß, obwohl zwei Anschlüsse 408 in Verbindung mit den Leitungen 414, 418 gezeigt sind, jede weitere Anzahl von Anschlüssen alternativ verwendet werden kann.
Die Einlaßleitungen 411 weisen Abmessungen auf, die es dem Fluid ermöglichen, zu der Zwischenschicht zu strömen, ohne einen großen Druckabfall entlang der Leitungen 411 und dem Regelkreis 30 (2A) zu erzeugen. Die Einlaßleitungen 411 weisen eine Breite innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0,25 bis 5,00 mm auf, obwohl jede andere Breite alternativ betrachtet wird. Ferner weisen die Einlaßleitungen 411 eine Länge innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0,5 mm bis zu dem dreifachen der Länge der Wärmequelle auf. Alternativ werden andere Längen betrachtet. Wie zuvor angeführt, verlaufen die Einlaßleitungen 411 ferner nach unten zu oder geringfügig oberhalb der Höhe der Mikrokanäle 410, so daß das Fluid direkt zu den Mikrokanälen 410 kanalisiert wird. Die Einlaßleitungen 411 weisen eine Höhe innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0,25 bis 5,00 mm auf. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß die Leitungen 411 nicht nach unten bis zu den Mikrokanälen 410 verlaufen und daß jede andere Höhe alternativ betrachtet wird. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß, obwohl die Einlaßleitungen 411 dieselben Abmessungen aufweisen, ebenfalls betrachtet wird, daß die Einlaßleitungen 411 alternativ unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Ferner weisen die Einlaßleitungen 411 alternativ variierende Breiten, Querschnittsabmessungen und/oder Abstände zwischen benachbarten Fingern auf. Insbesondere weist die Leitung 411 Bereiche mit einer größeren Breite oder Tiefe wie auch Bereiche mit einer geringeren Breite oder Tiefe entlang ihrer Länge auf. Die variierenden Abmessungen ermöglichen es, daß mehr Fluid an die vorbestimmten, heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereiche in der Zwischenschicht 402 durch die breiteren Abschnitte geleitet wird, während ein Fluß zu den warmen Bereichen der heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereichen durch die engen Abschnitte verringert wird.
Die Auslaßleitungen 412 weisen ferner Abmessungen auf, die es dem Fluid ermöglichen, zu der Zwischenschicht zu strömen, ohne einen großen Druckabfall entlang der Leitungen 412 wie auch entlang des Regelkreises 30 (2A) zu erzeugen. Die Auslaßleitungen 412 weisen eine Breite innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0,25 bis 5,00 mm auf, obwohl jede andere Breite alternativ betrachtet wird. Ferner weisen die Auslaßleitungen 412 eine Länge innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0,5 mm bis zu dem dreifachen der Länge der Wärmequelle auf. Ferner verlaufen die Auslaßleitungen 412 nach unten bis auf die Höhe der Mikrokanäle 410, so daß das Fluid leicht nach oben in die Auslaßleitungen 412 strömt, nachdem es horizontal entlang der Mikrokanäle 410 geströmt ist. Die Einlaßleitungen 411 weisen eine Höhe innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0,25 bis 5,00 mm auf, obwohl jede andere Höhe alternativ betrachtet wird. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß, obwohl die Auslaßleitungen 412 dieselben Abmessungen aufweisen, ebenfalls betrachtet wird, daß die Auslaßleitungen 412 alternativ unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Wiederrum weisen die Einlaßleitungen 412 alternativ verschiedene Breiten, Querschnittsabmessungen und/oder Abstände zwischen benachbarten Fingern auf.
Die Einlass- und Auslaßleitungen 411, 412 sind getrennte Abschnitte und voneinander verschieden, wie in den 4 und 5 gezeigt, wodurch Fluid der Leitungen untereinander nicht vermischt wird. Wie in 8 gezeigt, sind insbesondere zwei Auslaßleitungen entlang des äußeren Randes der Verteilerschicht 406 angeordnet, und eine Auslaßleitung 412 ist in der Mitte der Verteilerschicht 406 angeordnet. Ferner sind zwei Einlaßleitungen 411 auf benachbarten Seiten der mittleren Auslaßleitung 412 angeordnet. Diese besondere Anordnung bewirkt, daß das Fluid, das in die Zwischenschicht 402 eintritt, eine kurze Strecke in der Zwischenschicht 402 strömt, bevor es aus der Zwischenschicht 402 durch die Auslaßleitung 412 fließt. Jedoch ist es für einen Fachmann offensichtlich, daß die Einlaßleitungen und Auslaßleitungen in jeder anderen geeigneten Anordnung angeordnet werden können, und daher nicht auf die Anordnung beschränkt sind, die in der vorliegenden Offenbarung gezeigt und beschrieben ist. Die Anzahl von Einlass- und Auslaßfingern 411, 412 ist größer als drei in der Verteilerschicht 406, jedoch kleiner als 10 pro Zentimeter entlang der Verteilerschicht 406. Es ist ebenso für einen Fachmann offensichtlich, daß jede andere Anzahl von Einlaßleitungen und Auslaßleitungen verwendet werden kann, und diese daher nicht beschränkt ist auf die Anzahl, die in der vorliegenden Offenbahrung gezeigt und beschrieben ist.
Die Verteilerschicht 406 ist mit der intermediären Schicht (nicht dargestellt) gekoppelt, wodurch die intermediäre Schicht (nicht dargestellt) mit der Zwischenschicht 402 gekoppelt ist, um einen dreischichtigen Wärmetauscher 400 zu bilden. Auf die intermediäre Schicht, die in dieser Schrift beschrieben wird, wird oben in der Ausführungsform Bezug genommen, die in 3B gezeigt ist. Die Verteilerschicht 406 ist alternativ mit der Zwischenschicht 402 gekoppelt und oberhalb der Zwischenschicht 402 angeordnet, um einen zweischichtigen Wärmetauscher 400 zu bilden, wie in 7A gezeigt. Die 6A bis 6C zeigen schemati sche Querschnittsansichten von alternativen Verteilerschichten 406, die mit der Zwischenschicht 402 in dem zweischichtigen Wärmetauscher gekoppelt sind. 6A zeigt insbesondere den Querschnitt des Wärmetauschers 400 entlang der Linie A-A in 5. Ferner zeigt 6B den Querschnitt des Wärmetauschers 400 entlang der Linie B-B, und 6C zeigt den Querschnitt des Wärmetauschers 400 entlang der Linie C-C in 5. Wie oben ausgeführt, verlaufen die Einlass- und Auslaßleitungen 411, 412 von der oberen Oberfläche zu der unteren Oberfläche der Verteilerschicht 406. Wenn die Verteilerschicht 406 und die Zwischenschicht 402 miteinander gekoppelt sind, sind die Einlass- und Auslaßleitungen 411, 412 an oder nahe oberhalb der Höhe der Mikrokanäle 410 in der Zwischenschicht 402 angeordnet. Dieser Aufbau bewirkt, daß das Fluid von den Einlaßleitungen 411 leicht von den Leitungen 411 durch die Mikrokanäle 410 strömt. Dieser Aufbau bewirkt ferner, daß das Fluid, das durch die Mikrokanäle strömt, leicht nach oben durch die Auslaßleitungen 412 strömt, nachdem es durch die Mikrokanäle 410 geströmt ist.
In der alternativen Ausführungsform ist die intermediäre Schicht 104 (3B) zwischen der Verteilerschicht 406 und der Zwischenschicht 402 angeordnet, obwohl dies in den Figuren nicht gezeigt ist. Die intermediäre Schicht 104 (3B) kanalisiert den Fluidstrom an bestimmte, heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechende Zwischenschichtbereiche in der Zwischenschicht 402. Ferner kann die intermediäre Schicht 104 (3B) verwendet werden, um einen gleichförmigen Strom des Fluids, das in die Zwischenschicht 402 eintritt, bereitzustellen. Die intermediäre Schicht 104 wird ferner verwendet, um Fluid an heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechende Zwischenschichtbereiche in der Zwischenschicht 402 zu leiten, um heiße Bereiche geeignet zu kühlen und eine Einheitlichkeit der Temperatur in der Wärmequelle 99 zu erzeugen. Die Einlass- und Auslaßleitungen 411, 412 sind nahe oder oberhalb von heißen Bereichen in der Wärmequelle 99 angeordnet, um diese heißen Bereiche geeignet zu kühlen, obwohl dies nicht notwendig ist.
7A zeigt eine Explosionsansicht der alternativen Verteilerschicht 406 mit einer alternativen Zwischenschicht 102 der vorliegenden Erfindung. Die Zwischenschicht 102 umfaßt kontinuierliche Anordnungen von Mikrokanalwänden 110, wie in 3B gezeigt. In einem normalen Betrieb, ähnlich zu der bevorzugten Verteilerschicht, die in 3B gezeigt ist, tritt Fluid in die Verteilerschicht 40b an dem Fluidanschluß 408 ein und strömt durch die Leitung 414 und zu den Fluidfingern oder Fluidleitungen 411. Das Fluid tritt in die Öffnung der Einlassfinger 411 ein und strömt entlang der Länge der Finger 411 in X-Richtung, wie durch die Pfeile gezeigt. Ferner strömt das Fluid nach unten in Z-Richtung zu der Zwischenschicht 402, die unterhalb der Verteilerschicht 406 angeordnet ist. Wie in 7A gezeigt, durchquert das Fluid in der Zwischenschicht 402 entlang der unteren Oberfläche in X- und Y-Richtung die Zwischenschicht 402 und führt einen thermischen Austausch mit der Wärmequelle 49 aus. Das erwärmte Fluid tritt aus der Zwischenschicht 402 aus, indem es nach oben in Z-Richtung über die Auslaßfinger 412 strömt, wodurch die Auslaßfinger 412 das erwärmte Fluid zu der Leitung 418 in der Verteilerschicht 406 in X-Richtung kanalisieren. Das Fluid fließt dann entlang der Leitung 418 und tritt aus dem Wärmetauscher aus, indem es durch den Anschluß 409 ausströmt.
Wie in 7A gezeigt, umfaßt die Zwischenschicht eine Reihe von Rillen 416, die zwischen Gruppen von Mikrokanälen 410 angeordnet sind, die ein Kanalisieren des Fluids zu und aus den Leitungen 411, 412 unterstützen. Die Rillen 416A sind insbesondere direkt unterhalb der Einlaßleitungen 411 der alternativen Verteilerschicht 406 angeordnet, wodurch Fluid, das in die Zwischenschicht 402 über die Einlaßleitungen 411 eintritt, direkt zu den Mikrokanälen benachbart zu den Rillen 416A kanalisiert wird. Die Rillen 416A ermöglichen es daher, das Fluid direkt in bestimmte ausgewählte Strömungspfade von den Einlaßleitungen 411 zu kanalisieren, wie in 5 gezeigt. Auf ähnliche Weise umfaßt die Zwischenschicht 402 Rillen 416B, die direkt unterhalb der Auslaßleitungen 412 in Z-Richtung angeordnet sind. Auf diese Weise wird Fluid, das horizontal entlang der Mikrokanäle 410 zu den Auslaßleitungen strömt, horizontal zu den Rillen 416B und vertikal zu der Auslaßleitung 412 oberhalb der Rillen 416B kanalisiert.
6A zeigt den Querschnitt des Wärmetauschers 400 mit der Verteilerschicht 406 und der Zwischenschicht 402. 6A zeigt insbesondere die Einlaßleitungen 411, die mit den Auslaßleitungen 412 verflochten sind, wodurch Fluid die Einlaßleitungen 411 nach unten strömt und die Auslaßleitungen 412 nach oben strömt. Wie in 6A gezeigt, strömt das Fluid ferner horizontal durch die Mikrokanalwände 410, die zwischen den Einlaßleitungen und den Auslaßleitungen angeordnet sind und durch die Rillen 416A, 416B getrennt sind. Alternativ sind die Mikrokanalwände nicht unterbrochen (3B) und sind nicht durch die Mikrokanäle 410 getrennt. Wie in 6A gezeigt, weisen entweder eine oder beide Leitungen 411, 412 (Einlass- und Auslaßleitungen) eine bogenförmige Oberfläche 420 an ihren Enden an der Stelle nahe der Rillen 416 auf. Die bogenförmige Oberfläche 420 leitet Fluid, das nach unten durch die Leitung 411 strömt, zu den Mikrokanälen 410, die benachbart zu der Leitung 411 angeordnet sind. Auf diese Weise wird Fluid, das in die Zwischenschicht 102 eintritt, leichter zu den Mikrokanälen 410 geleitet, anstelle direkt zu der Rille 416A zu strömen. Auf ähnliche Weise unterstützt die bogenförmige Oberfläche 420 in den Auslaßleitungen 412 ein Leiten des Fluids von den Mikrokanälen 410 zu den äußeren Leitungen 412.
Wie in 7B gezeigt, umfaßt die Zwischenschicht 402' in einer alternativen Ausführungsform die Einlaßleitungen 411' und die Auslaßleitungen 412', die oben unter Bezug auf die Verteilerschicht 406 (8 bis 9) beschrieben sind. In der alternativen Ausführungsform wird das Fluid direkt zu der Zwischenschicht 402' von dem Anschluß 408' geleitet. Das Fluid strömt entlang der Leitung 414' zu den Einlaßleitungen 411'. Das Fluid fließt dann seitlich entlang der Gruppen von Mikrokanälen 410' und unterliegt einem Wärmeaustausch mit der Wärmequelle (nicht dargestellt) und strömt zu den Auslaßleitungen 412'. Das Fluid strömt dann entlang der Auslaßleitungen 412' zu der Leitung 418', wobei das Fluid durch den Anschluß 409' aus der Zwischenschicht 402' austritt. Die Anschlüsse 408', 409' sind in der Zwischenschicht 402' angeordnet und alternativ in der Verteilerschicht 406 (7A) angeordnet.
Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß, obwohl alle Wärmetauscher in der vorliegenden Anmeldung so gezeigt sind, daß sie horizontal betrieben werden, der Wärmetauscher alternativ in einer vertikalen Lage betrieben wird. Die Wärmetauscher sind alternativ so ausgelegt, daß jede Einlassleitung oberhalb einer benachbarten Auslaßleitung angeordnet ist, während dieser in der vertikalen Lage betrieben wird. Daher tritt das Fluid in die Zwischenschicht durch die Einlaßleitungen ein und wird auf natürliche Weise zu einer Auslaßleitung kanalisiert. Es ist ebenso offensichtlich, daß jede andere Anordnung der Verteilerschicht und der Zwischenschicht alternativ verwendet wird, um es dem Wärmetauscher zu ermöglichen, in einer vertikalen Lage betrieben zu werden.
8A bis 8C zeigen Darstellungen von Draufsichten einer weiteren alternativen Ausführungsform des Wärmetauschers entsprechend der vorliegenden Erfindung. Insbesondere zeigt 8A eine Darstellung einer Draufsicht einer alternativen Verteilerschicht 206 entsprechend der vorliegenden Erfindung. 8B und 8C zeigen eine Draufsicht einer intermediären Schicht 204 und einer Zwischenschicht 202. Ferner zeigt 9A einen dreischichtigen Wärmetauscher, der die alternative Verteilerschicht 206 verwendet, wohingegen 9B einen zweischichtigen Wärmetauscher zeigt, der die alternative Verteilerschicht 206 verwendet.
Wie in den 8A und 9A gezeigt, umfaßt die Verteilerschicht 206 eine Vielzahl von Fluidanschlüssen 208, die horizontal und vertikal angeordnet sind. Alternativ sind die Fluidanschlüsse 208 diagonal oder in irgendeiner anderen Richtung relativ zu der Verteilerschicht 206 angeordnet. Die Fluidanschlüsse 208 sind an ausgewählten Stellen in der Verteilerschicht 206 angeordnet, um effektiv Fluid an die vorbestimmten, heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenbereiche in dem Wärmetauscher 200 zu leiten. Die mehreren Fluidanschlüsse 208 bringen einen erheblichen Vorteil mit sich, weil Fluid direkt von einem Fluidanschluß an einen bestimmten, einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich abgegeben werden kann, ohne wesentlich zu dem Druckabfall in dem Wärmetauscher 200 beizutragen. Ferner sind die Fluidanschlüsse 208 ebenso in der Ver teilerschicht 206 angeordnet, um es dem Fluid in den heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereichen zu ermöglichen, die geringste Wegstrecke zu dem Auslaßanschluß 208 zu strömen, so daß das Fluid die Einheitlichkeit der Temperatur erreicht, während ein minimaler Druckabfall zwischen den Einlass- und Auslaßanschlüssen 208 erhalten bleibt. Ferner unterstützt die Verwendung der Verteilerschicht 206 das Stabilisieren einer zweiphasigen Strömung in dem Wärmetauscher 200, während ein gleichförmiger Strom entlang der Zwischenschicht 202 gleichmäßig verteilt wird. Es sollte festgestellt werden, daß der Wärmetauscher 200 alternativ mehr als eine Verteilerschicht 206 aufweist, wobei eine Verteilerschicht 206 Fluid in den und aus den Wärmetauscher 200 leitet, und eine weitere Verteilerschicht (nicht dargestellt) die Fluidzirkulationsrate des Wärmetauschers 200 steuert. Alternativ zirkulieren alle aus der Vielzahl von Verteilerschichten 206 Fluid an ausgewählte entsprechende, heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechende Zwischenschichtbereiche in der Zwischenschicht 202.
Die alternative Verteilerschicht 206 weist seitliche Abmessungen auf, die nahezu mit den Abmessungen der Zwischenschicht 202 übereinstimmen. Ferner weist die Verteilerschicht 206 dieselben Abmessungen wie die Wärmequelle 99 auf. Alternativ ist die Verteilerschicht 206 größer als die Wärmequelle 99. Die vertikalen Abmessungen der Verteilerschicht 206 liegen innerhalb des Bereichs von 0,1 bis 10 mm. Ferner liegen die Öffnungen in der Verteilerschicht 206, die die Fluidanschlüsse 208 aufnimmt, innerhalb des Bereichs zwischen 1 mm und der gesamten Breite oder Länge der Wärmequelle 99.
11 zeigt eine weggebrochene perspektivische Ansicht eines dreischichtigen Wärmetauschers 200 mit der alternativen Verteilerschicht 200 entsprechend der vorliegenden Erfindung. Wie in 11 gezeigt, ist der Wärmetauscher 200 in getrennte Bereiche unterteilt, abhängig von der Wärmemenge, die entlang des Körpers der Wärmequelle 99 erzeugt wird. Die unterteilten Bereiche sind durch die vertikale intermediäre Schicht 204 und/oder Mikrokanalwandmerkmale 210 in der Zwischenschicht 202 getrennt. Jedoch ist für einen Fachmann offensichtlich, daß die in 11 gezeigte Anordnung nicht auf die gezeigte Anordnung be grenzt ist und lediglich eine beispielhafte Darstellung ist. Der Wärmetauscher 200 ist mit einer oder mehreren Pumpen gekoppelt, wobei eine Pumpe mit den Einlässen 208A gekoppelt ist und eine weitere Pumpe mit den Einlässen 208B gekoppelt ist.
Wie in 3 gezeigt, weist die Wärmequelle 99 einen heißen Bereich an der Stelle A und einen warmen Bereich, Stelle B, auf, wobei der heiße Bereich an der Stelle A mehr Wärme produziert als der warme Bereich an der Stelle B. Es ist offensichtlich, daß die Wärmequelle 99 alternativ mehr als einen heißen Bereich und einen warmen Bereich an irgendeiner Stelle zu irgendeiner gegebenen Zeit aufweist. Weil die Stelle A ein heißer Bereich ist und mehr Wärme an der Stelle A zu der Zwischenschicht 202 oberhalb der Stelle A (in 11 als ein einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechender Zwischenschichtbereich A bezeichnet) übertragen wird, ist in diesem Beispiel mehr Fluid und/oder eine höhere Flüssigkeitsströmungsrate für den dem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich A in dem Wärmetauscher 200 vorgesehen, um die Stelle A geeignet zu kühlen. Es ist offensichtlich, daß, obwohl der dem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechende Zwischenschichtbereich B größer als der dem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechende Zwischenschichtbereich A dargestellt ist, die den heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereiche A und B wie auch jegliche weitere, heißen Bereichen in der Wärmquelle entsprechende Zwischenschichtbereiche in dem Wärmetauscher 200 irgendeine Größe und/oder Anordnung relativ zueinander aufweisen können.
Wie in 11 gezeigt, tritt das Fluid alternativ in den Wärmetauscher durch Fluidanschlüsse 208A ein und wird dem einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich A zugeführt, indem es entlang der intermediären Schicht 204 zu den Einströmleitungen 205A strömt. Das Fluid strömt dann nach unten entlang der Einströmleitungen 205A in Z-Richtung in den einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich A der Zwischenschicht 202. Das Fluid strömt zwischen den Mikrokanälen 210A ein, wobei Wärme von der Stelle A auf das Fluid durch Wärmeleitung durch die Zwischenschicht 202 übertragen wird. Das erwärmte Fluid strömt entlang der Zwischen schicht 202 in den einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich A zu dem Auslaßanschluß 209A, wo das Fluid aus dem Wärmetauscher 200 austritt. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß irgendeine Anzahl von Einlassanschlüssen 208 und Auslaßanschlüssen 209 für einen bestimmten einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich oder eine Gruppe von heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereichen verwendet werden kann. Obwohl der Auslaßanschluß 209A nahe der Zwischenschicht 202A gezeigt ist, ist der Auslaßanschluß 209A ferner alternativ an irgendeiner anderen Stelle vertikal angeordnet, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf, die Verteilerschicht 209B.
Auf ähnliche Weise weist die in dem Beispiel der 11 gezeigte Wärmequelle 99 einen warmen Bereich an der Stelle B auf, der weniger Wärme als die Stelle A der Wärmequelle 99 erzeugt. Durch den Anschluß 208B eintretendes Fluid wird dem einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich B zugeführt, indem es entlang der intermediären Schicht 204B zu den Einströmleitungen 205B strömt. Das Fluid strömt dann nach unten entlang der Einströmleitungen 205B in Z-Richtung in den einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich B der Zwischenschicht 202. Das Fluid strömt zwischen den Mikrokanälen 210 in X- und Y- Richtung, wobei Wärme, die von der Wärmequelle an der Stelle B erzeugt wird, an das Fluid übertragen wird. Das erwärmte Fluid strömt entlang der gesamten Zwischenschicht 202B in den einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich B nach oben zu den Auslaßanschlüssen 209B in Z-Richtung durch die Auströmleitungen 205B in der intermediären Schicht 204, wodurch das Fluid aus dem Wärmetauscher 200 austritt.
Wie in 9A gezeigt, umfaßt der Wärmetauscher 200 alternativ eine dampfdurchlässige Membran 214, die oberhalb der Zwischenschicht 202 angeordnet ist. Die dampfdurchlässige Membran 214 steht in abdichtbarem Kontakt mit den inneren Seitenwänden des Wärmetauschers 200. Die Membran ist ausgelegt, mehrere kleine Öffnungen aufzuweisen, die es Dampf, der entlang der Zwischenschicht 202 erzeugt wird, ermöglichen, durch diese zu dem Anschluß 209 zu gelangen. Die Membran 214 ist ferner ausgelegt, wasserabweisend zu sein, um flüssiges Fluid, das entlang der Zwischenschicht 202 strömt, daran zu hindern, durch die Öffnungen der Membran 214 zu gelangen. Mehr Details der dampfdurchlässigen Membran 114 sind beschrieben in der ebenfalls anhängigen US-Anmeldung mit der Serien-Nummer 10/366,128, die am 12. Februar 2003 eingereicht wurde und den Titel trägt „Mikrokanalwärmetauscher mit Dampfentweichung" („VAPOR ESCAPE MICROCHANNEL HEAT EXCHANGER"), die durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen ist.
12A zeigt eine Explosionsansicht eines bevorzugten Wärmetauschers 300 entsprechend der vorliegenden Erfindung. 12B zeigt eine Explosionsansicht eines alternativen Wärmetauschers 300' entsprechend der vorliegenden Erfindung. Wie in den 12A und 12B gezeigt, umfaßt der Wärmetauscher 300, 300' die Zwischenschicht 302, 302' und die Verteilerschicht 306, 306', die mit dieser gekoppelt ist. Wie oben ausgeführt, ist der Wärmetauscher 300, 300' mit der Wärmequelle (nicht dargestellt) gekoppelt oder alternativ vollständig in die Wärmequelle integriert (beispielsweise in einen Mikroprozessor eingebettet). Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß die Zwischenschicht 302, 302' im wesentlichen umschlossen ist, und in 12A lediglich zum Zwecke der beispielhaften Darstellung freigelegt ist. Es ist bevorzugt, daß die Zwischenschicht 302, 302' eine Vielzahl von Säulen 303 umfaßt, die entlang der unteren Oberfläche 301 angeordnet sind. Ferner weisen die Säulen 303 alternativ irgendeine Form auf, wie unter Bezug auf die 10A bis 10E beschrieben, und/oder sind radial verteilte Rippen 303E. Wiederum weist die Zwischenschicht 302 alternativ jegliche andere Merkmale auf, wie oben beschrieben (beispielsweise Mikrokanäle, aufgerauhte Oberflächen). Die Zwischenschicht 302 wie auch die Merkmale in der Schicht 302 weisen bevorzugt dieselben thermischen Leitfähigkeitscharakteristika auf wie oben beschrieben und werden nicht erneut unter Bezug auf die bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Obwohl die Zwischenschicht 302 im Vergleich zu der Verteilerschicht 306 kleiner dargestellt ist, ist für einen Fachmann offensichtlich, daß die Zwischenschicht 302 und die Verteilerschicht 306 jede andere Größe im Vergleich miteinander und mit der Wärmequelle 99 aufweisen können. Die übrigen Merkmale der Zwischenschicht 302, 302' weisen dieselben Charakteristika wie die Zwischenschichten auf, die oben beschrieben sind und werden nicht näher im Detail beschrieben.
Der bevorzugte Wärmetauscher 300 verringert den Druckabfall in dem Wärmetauscher im wesentlichen durch die Verwendung der Abgabekanäle 322 in der Verteilerschicht 306. Die Abgabekanäle 322 sind vertikal in der Verteilerschicht 306 angeordnet und stellen der Zwischenschicht 302 vertikal Fluid zur Verfügung, um den Druckabfall in dem Wärmetauscher 300 zu verringern. Wie oben ausgeführt, wird ein Druckabfall in dem Wärmetauscher 300 durch das Strömen des Fluids entlang der Zwischenschicht in der X- und Y-Richtung für einen erheblichen Zeitraum und/oder eine erhebliche Wegstrecke erzeugt oder erhöht. Die Verteilerschicht 306 verringert den Strom in X- und Y-Richtung, indem das Fluid vertikal auf die Zwischenschicht 302 durch die mehreren Abgabekanäle 322 gedrückt wird. Mit anderen Worten werden mehrere einzelne Fluidstrahlen direkt auf die Zwischenschicht 302 von oben gerichtet. Die Abgabekanäle 322 sind in einem optimalen Abstand voneinander angeordnet, um es dem Fluid zu ermöglichen, minimal in die X- und Y-Richtung zu strömen und vertikal nach oben aus der Zwischenschicht 302 zu strömen. Die Kraft der einzelnen Fluidpfade von den optimal angeordneten Kanälen 322 bewirkt daher auf natürliche Weise, daß das Fluid in einem nach oben gerichteten Fluidpfad weg von der Zwischenschicht 302 strömt. Ferner maximieren die einzelnen Kanäle 322 die Aufteilung des Fluidstromes auf die einzelnen Kanäle 322 in der Zwischenschicht 302, wodurch der Druckabfall in dem Wärmetauscher 302 verringert wird, während die Wärmequelle 99 effektiv gekühlt wird. Ferner ermöglicht der Aufbau des bevorzugten Wärmetauschers 300, daß der Wärmetauscher 300 eine geringere Größe als andere Wärmetauscher aufweist, weil das Fluid keine große Wegstrecke in der seitlichen X- und Y-Richtung strömen muß, um die Wärmequelle 99 geeignet zu kühlen.
Die bevorzugte Verteilerschicht 306, die in 12A gezeigt ist, umfaßt zwei getrennte Niveaus. Die Verteilerschicht 306 umfaßt insbesondere ein Niveau 308 und ein Niveau 312. Das Niveau 308 ist mit der Zwischenschicht 302 und dem Niveau 312 gekoppelt. Obwohl 12A zeigt, daß das Niveau 312 oberhalb des Niveaus 308 angeordnet ist, betrachtet ein Fach mann ebenfalls, daß das Niveau 308 alternativ oberhalb des Niveaus 312 angeordnet ist. Es ist für einen Fachmann ferner offensichtlich, daß irgendeine Anzahl von Niveaus alternativ in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
Die alternative Verteilerschicht 306', die in 12B gezeigt ist, umfaßt drei getrennte Niveaus. Die Verteilerschicht 306' umfaßt insbesondere ein Zirkulationsniveau 304', ein Niveau 308' und ein Niveau 312'. Das Zirkulationsniveau 304' ist mit der Zwischenschicht 302' wie auch mit dem Niveau 308' gekoppelt. Das Niveau 308' ist mit dem Zirkulationsniveau 304' und dem Niveau 312' gekoppelt. Obwohl die 12B zeigt, daß das Niveau 312' oberhalb des Niveaus 308' angeordnet ist, erkennt der Fachmann, daß das Niveau 308' alternativ oberhalb des Niveaus 312' angeordnet ist. Es ist für einen Fachmann ferner offensichtlich, daß irgendeine Anzahl von Niveaus alternativ in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
12C zeigt eine perspektivische Ansicht des Zirkulationsniveaus 304' entsprechend der vorliegenden Erfindung. Das Zirkulationsniveau 304' umfaßt eine obere Oberfläche 304A' und eine untere Oberfläche 304B'. Wie in den 12B und 12C gezeigt, umfaßt das Zirkulationsniveau 304' mehrere Öffnungen 322', die durch dieses verlaufen. In einer Ausführungsform sind die Austrittsöffnungen der Öffnungen 322' auf gleicher Höhe mit der unteren Oberfläche 304B'. Alternativ erstrecken sich die Öffnungen 322' über die untere Oberfläche 304B' hinaus, um das Fluid näher an die Zwischenschicht 302' zu leiten. Ferner umfaßt das Zirkulationsniveau 304' mehrere Öffnungen 324', die durch dieses von der oberen Oberfläche 304A' zu der unteren Oberfläche 304B' verlaufen und vertikal als zylindrische Vorsprünge in Z-Richtung einen vorbestimmten Abstand hervorstehen. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß die Öffnungen 322', 324' alternativ in einem Winkel durch das Zirkulationsniveau verlaufen und nicht genau vertikal verlaufen müssen. Wie oben ausgeführt, ist die Zwischenschicht 302' (12B) in einer Ausführungsform mit der unteren Oberfläche 304B' des Zirkulationsniveaus 304' gekoppelt. Daher tritt das Fluid in die Zwischenschicht 302' dadurch ein, daß es nur durch die Öffnungen 322' in Z-Richtung strömt, und aus der Zwi schenschicht 302' dadurch aus, daß es nur durch die Öffnungen 324' in Z-Richtung strömt. Wie unten beschrieben, wird das Fluid, das in die Zwischenschicht 302' durch die Öffnungen 322' eintritt, getrennt gehalten von dem Fluid, das aus der Zwischenschicht 302' durch die Öffnungen 324' durch das Zirkulationsniveau 304' austritt.
Wie in 12C gezeigt, weist ein Teil der Öffnungen 324' bevorzugt zylindrische Abschnitte auf, die von der oberen Oberfläche 304A' in Z-Richtung von dem Zirkulationsniveau 304' derart verlaufen, daß Fluid durch die Öffnungen 324' direkt zu dem Durchgangsstück 326' in dem Niveau 312' (12F und 12G) strömt. Bevorzugt sind die zylindrischen Vorsprünge kreisförmig, wie in 12C, können jedoch alternativ jede andere Form aufweisen. Entlang der Zwischenschicht 302' strömt das Fluid jedoch von jeder Öffnung 322' zu benachbarten Öffnungen 324' in seitlicher und vertikaler Richtung. Es ist bevorzugt, daß die Öffnungen 322' und die Öffnungen 324' thermisch isoliert voneinander sind, so daß Wärme von dem erwärmten Fluid, das aus der Zwischenschicht 302' durch die Verteilerschicht 306' austritt, nicht zu dem gekühlten Fluid, das zu der Zwischenschicht 302' durch die Verteilerschicht 306' strömt, wandert.
12D zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Niveaus 308 entsprechend der vorliegenden Erfindung. Wie in 12D gezeigt, umfaßt das Niveau 308 eine obere Oberfläche 308A und eine untere Oberfläche 308B. Bevorzugt ist die untere Oberfläche 308B des Niveaus 308 direkt mit der Zwischenschicht 302 gekoppelt, wie in 12A gezeigt. Das Niveau 308 umfaßt ein vertieftes Durchgangsstück 320, das mehrere Fluidabgabekanäle 322 umfaßt, die bevorzugt Fluid zu der Zwischenschicht 302 leiten. Das vertiefte Durchgangsstück 320 steht abdichtbar in Kontakt mit der Zwischenschicht 302, wobei Fluid, das aus der Zwischenschicht 302 austritt, um die und zwischen den Kanälen 322 in dem Durchgangsstück 320 strömt und durch den Anschluß 314 heraus strömt. Es sollte festgestellt werden, daß Fluid, das aus der Zwischenschicht 302 austritt, nicht in die Abgabekanäle 322 eintritt.
12E zeigt eine perspektivische Ansicht der Unterseite einer alternativen Ausführungsform des Niveaus 308' entsprechend der vorliegenden Erfindung. Das Niveau 308' umfaßt eine obere Oberfläche 308A' und eine untere Oberfläche 308B', wodurch die untere Oberfläche des Niveaus 308B' direkt mit dem Zirkulationsniveau 304' (12C) gekoppelt ist. Das Niveau 308' umfaßt bevorzugt einen Anschluß 314', ein Durchgangsstück 320' und ein Vielzahl von Öffnungen 322', 324' in der unteren Oberfläche 308B'. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß das Niveau 308' irgendeine Anzahl von Anschlüssen und Durchgangsstücken umfassen kann. Die Öffnungen 322', 324' in 12E sind so ausgelegt, daß sie dem Zirkulationsniveau 304' zugewandt sind. Wie insbesondere in 12E gezeigt, leiten die Öffnungen 322' Fluid, das in das Durchgangsstück 320' eintritt, so, daß es in die Zwischenschicht 302' strömt, wohingegen die Öffnungen 324' Fluid von der Zwischenschicht 302' so leiten, daß es zu dem Niveau 312' strömt. Die Öffnungen 324' verlaufen vollständig durch das Durchgangsstück 320' in dem Niveau 308'. Die Öffnungen 324' sind vereinzelt und getrennt, so daß Fluid, das durch die Öffnungen 324' strömt, nicht in Kontakt kommt mit dem Fluid, das durch die Zylinder strömt, die mit den Öffnungen 324' verbunden sind, oder sich mit diesem mischt. Die Öffnungen 324' sind ferner vereinzelt, um sicherzustellen, daß das Fluid, das durch jede der Öffnungen 324' eintritt, entlang des Fluidpfades strömt, der durch die Öffnung 324' bereitgestellt ist. Die Öffnungen 324' sind bevorzugt vertikal ausgelegt. Daher wird das Fluid vertikal durch einen wesentlichen Abschnitt der Verteilerschicht 306' kanalisiert. Es ist offensichtlich, daß das gleiche für die Öffnungen 322' gilt, insbesondere in dem Fall, daß das Niveau zwischen der Zwischenschicht und dem Niveau angeordnet ist.
Obwohl die Öffnungen oder Löcher 322 mit derselben Größe dargestellt sind, können die Öffnungen 322 unterschiedliche oder variierende Durchmesser entlang einer Länge aufweisen. Beispielsweise können die Löcher 322 näher an dem Anschluß 314 einen kleineren Durchmesser aufweisen, um einen Fluidstrom dort hindurch zu begrenzen. Die kleineren Löcher 322 zwingen das Fluid daher, durch die Öffnungen 322 nach unten zu strömen, die weiter entfernt von dem Anschluß 314 sind. Diese Änderung in den Durchmessern in den Löchern 322 ermöglicht eine gleichförmigere Verteilung des Fluids in die Zwischenschicht 302. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß die Durchmesser der Löcher 322 alternativ vari iert werden, um ein Kühlen in bekannten, heißen Bereichen in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereichen in der Zwischenschicht 302 zu bewirken. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß die obige Beschreibung auf die Öffnungen 324' anwendbar ist, wobei die Abmessungen der Öffnungen 324' variieren oder unterschiedlich sind, um eine gleichförmige Ausströmung aus der Zwischenschicht 302 zu bewirken.
In der bevorzugten Ausführungsform stellt der Anschluß 314 Fluid dem Niveau 308 und der Zwischenschicht 302 zur Verfügung. Der Anschluß 314 in 12D verläuft bevorzugt von der oberen Oberfläche 308A durch einen Abschnitt des Körpers des Niveaus 308 zu dem Durchgangsstück 320. Der Anschluß 314 verläuft alternativ zu dem Durchgangsstück 320 von der Seite oder dem Boden des Niveaus 308. Es ist bevorzugt, daß der Anschluß 314 mit dem Anschluß 315 in dem Niveau 312 (12A bis 12B) gekoppelt ist. Der Anschluß 314 führt zu dem Durchgangsstück 320, das umschlossen ist, wie in 12C gezeigt, oder vertieft ist, wie in 12D gezeigt. Das Durchgangsstück 320 dient bevorzugt dazu, Fluid zu dem Anschluß 314 von der Zwischenschicht 302 zu kanalisieren. Das Durchgangsstück 320 kanalisiert alternativ Fluid von dem Anschluß 314 zu der Zwischenschicht 302.
Wie in den 12F und 12G gezeigt, ist der Anschluß 315 in dem Niveau 312 bevorzugt an dem Anschluß 314 ausgerichtet und mit diesem in Verbindung. Unter Bezug auf die 12A tritt Fluid bevorzugt durch den Anschluß 316 in den Wärmetauscher 300 ein und strömt durch das Durchgangsstück 328 nach unten zu den Abgabekanälen 322 in dem Niveau 308 und schließlich zu der Zwischenschicht 302. Unter Bezug auf die 12B tritt Fluid alternativ bevorzugt durch den Anschluß 315' in den Wärmetauscher 300' ein und strömt durch den Anschluß 314' in dem Niveau 308' und schließlich zu der Zwischenschicht 302'. Der Anschluß 315 in 12F verläuft bevorzugt von der oberen Oberfläche 312A durch den Körper des Niveaus 312. Alternativ verläuft der Anschluß 315 von einer Seite des Niveaus 312. Alternativ umfaßt das Niveau 312 nicht den Anschluß 315, wodurch das Fluid durch den Anschluß 314 (12D und 12E) in den Wärmetauscher 300 eintritt. Ferner umfaßt das Niveau 312 einen Anschluß 316, der bevorzugt das Fluid zu dem Durchgangsstück 328' kana lisiert. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß das Niveau irgendeine Anzahl von Anschlüssen und Durchgangsstücken aufweist. Das Durchgangsstück 328 kanalisiert bevorzugt Fluid zu den Abgabekanälen 322 und eventuell zu der Zwischenschicht 302.
12G zeigt eine perspektivische Ansicht einer Unterseite einer alternativen Ausführungsform des Niveaus 312' entsprechend der vorliegenden Erfindung. Das Niveau 312' ist bevorzugt mit dem Niveau 308' in 12E gekoppelt. Wie in 12F gezeigt, umfaßt das Niveau 312' einen vertieften Durchgangsstückbereich 328' in dem Körper, der entlang der unteren Oberfläche 312B' freigelegt ist. Das vertiefte Durchgangsstück 328' ist in Verbindung mit dem Anschluß 316', wodurch das Fluid direkt von dem vertieften Durchgangsstück 328' zu dem Anschluß 316' strömt. Das vertiefte Durchgangsstück 328' ist oberhalb der oberen Oberfläche 308A' des Niveaus 308' angeordnet, um es dem Fluid zu ermöglichen, ungehindert von den Öffnungen 324' zu dem Durchgangsstück 328' nach oben zu strömen. Der Umfang des vertieften Durchgangsstücks 320' und der unteren Oberfläche 312B' ist gegen die obere Oberfläche 308A' des Niveaus 312' abgedichtet, so daß das gesamte Fluid von den Öffnungen 324' zu dem Anschluß 316' durch das Durchgangsstück 328' strömt. Jede der Öffnungen 330' in der unteren Oberfläche 312B' ist an einer entsprechenden Öffnung 321' in dem Niveau 308' (12E) ausgerichtet und steht mit dieser in Verbindung, wodurch die Öffnungen 330' auf gleicher Höhe mit der oberen Oberfläche 308A' des Niveaus 308' (12E) angeordnet sind. Alternativ weisen die Öffnungen 330 einen Durchmesser auf, der geringfügig größer als der Durchmesser der entsprechenden Öffnung 324' ist, wodurch die Öffnungen 324' durch die Öffnungen 330' in das Durchgangsstück 328' verlaufen.
12H zeigt eine Querschnittsansicht des bevorzugten Wärmetauschers in 12A entlang der Linie H-H entsprechend der vorliegenden Erfindung. Wie in 12H gezeigt, ist die Zwischenschicht 302 mit der Wärmequelle 99 gekoppelt. Wie oben ausgeführt, ist der Wärmetauscher 300 alternativ integral mit der Wärmequelle 99 als ein Bauteil gebildet. Die Zwischenschicht 302 ist mit der unteren Oberfläche 308B des Niveaus 308 gekoppelt. Ferner ist das Niveau 312 bevorzugt mit dem Niveau 308 gekoppelt, wodurch die obere Oberfläche 308A des Niveaus 308 gegen die untere Oberfläche 312B des Niveaus 312 abgedichtet ist. Der Umfang des Durchgangsstücks 320 des Niveaus 308 ist in Verbindung mit der Zwischenschicht 302. Ferner steht das Durchgangsstück 328 in dem Niveau 312 in Verbindung mit den Öffnungen 322 in dem Niveau 308. Die untere Oberfläche 312B des Niveaus 312 ist gegen die obere Oberfläche 308A des Niveaus 308 abgedichtet, so daß das Fluid nicht zwischen die Niveaus 308, 312 dringt.
12I zeigt eine Querschnittsansicht des alternativen Wärmetauschers in 12B entlang der Linie I-I entsprechend der vorliegenden Erfindung. Wie in 12I gezeigt, ist die Zwischenschicht 302' mit einer Wärmequelle 99' gekoppelt. Die Zwischenschicht 302' ist mit der unteren Oberfläche 304B' des Zirkulationsniveaus 304' gekoppelt. Ferner ist das Zirkulationsniveau 304' mit dem Niveau 308' gekoppelt, wodurch die obere Oberfläche 304A' des Zirkulationsniveaus 304' gegen die untere Oberfläche 308B' des Niveaus 308' abgedichtet ist. Ferner ist das Niveau 312' bevorzugt mit dem Niveau 308' gekoppelt, wodurch die obere Oberfläche 308A' des Niveaus 308' gegen die untere Oberfläche 312B' des Niveaus 312' abgedichtet ist. Der Umfang des Durchgangsstücks 320' des Niveaus 308' steht in Verbindung mit den Öffnungen in der oberen Oberfläche 304A' des Zirkulationsniveaus 304', so daß Fluid nicht zwischen die beiden Niveaus dringt. Ferner ist der Umfang des Durchgangsstücks 328' in dem Niveau 312' in Verbindung mit den Öffnungen in der oberen Oberfläche 308A' des Zirkulationsniveaus 308', so daß Fluid nicht zwischen die beiden Niveaus dringt.
In dem bevorzugten Betriebablauf, wie mit den Pfeilen in den 12A und 12H gezeigt, tritt gekühltes Fluid in den Wärmetauscher 300 durch den Anschluß 316 in dem Niveau 312' ein. Das gekühlte Fluid strömt nach unten durch den Anschluß 316 zu dem Durchgangsstück 328 und strömt durch die Abgabekanäle 322 nach unten zu der Zwischenschicht 302. Das gekühlte Fluid in dem Durchgangsstück 320 vermischt sich nicht mit irgendeinem erwärmten Fluid, das aus dem Wärmetauscher 300 austritt, und kommt mit diesem nicht in Kontakt. Das Fluid, das in die Zwischenschicht 302 eintritt, unterliegt einem thermischen Austausch mit und der absorbiert die Wärme, die in der Wärmequelle 99 erzeugt wird. Die Öffnungen 322 sind optimal angeordnet, so daß das Fluid die geringste Wegstrecke in X- und Y-Richtung in der Zwischenschicht 302 strömt, um den Druckabfall in dem Wärmetauscher 300 zu minimieren, während die Wärmequelle 99 effektiv gekühlt wird. Das erwärmte Fluid strömt dann nach oben in Z-Richtung von der Zwischenschicht 302 zu dem Durchgangsstück 320 in dem Niveau 308. Das erwärmte Fluid, das aus der Verteilerschicht 306 austritt, vermischt sich nicht mit irgendeinem gekühlten Fluid, das in die Verteilerschicht 306 eintritt, und kommt mit diesem nicht in Kontakt. Beim Eintreten in das Durchgangsstück 320 strömt das erwärmte Fluid zu den Anschlüssen 314 und 315 und tritt aus dem Wärmetauscher 300 aus. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß das Fluid alternativ entgegengesetzt zu dem Weg strömt, der in den 12A und 12H gezeigt ist, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
In dem alternativen Betriebsablauf, wie durch die Pfeile in den 12B und 12I gezeigt, tritt gekühltes Fluid in den Wärmetauscher 300' durch den Anschluß 316' in dem Niveau 312' ein. Das gekühlte Fluid strömt nach unten durch den Anschluß 315' zu dem Anschluß 314' in dem Niveau 308'. Das Fluid strömt dann in das Durchgangsstück 320' und strömt nach unten zu der Zwischenschicht 302' durch die Öffnungen 322' in dem Zirkulationsniveau 304'. Jedoch kommt das gekühlte Fluid in dem Durchgangsstück 320' nicht in Kontakt mit irgendeinem erwärmten Fluid, das aus dem Wärmetauscher 300' austritt, und vermischt sich nicht mit diesem. Das Fluid, das in die Zwischenschicht 302' eintritt, unterliegt einem thermischen Austausch mit der und absorbiert die Wärme, die in der Wärmequelle 99 erzeugt wird. Wie unten beschrieben, sind die Öffnungen 322' und Öffnungen 324' so angeordnet, daß das Fluid den optimalen dichtesten Abstand entlang der Zwischenschicht 302' von jeder Öffnung 322' zu einer benachbarten Öffnung 324' strömt, um den Druckabfall zwischen diesen zu verringern, während die Wärmequelle 99 effektiv gekühlt wird. Das erwärmte Fluid strömt dann nach oben in Z-Richtung von der Zwischenschicht 302' durch das Niveau 308' durch verschiedene Öffnungen 324' zu dem Durchgangsstück 328' in dem Niveau 312'. Das erwärmte Fluid vermischt sich nicht mit irgendeinem gekühlten Fluid, das in die Verteilerschicht 306' eintritt, während es durch die Öffnungen 324' nach oben wandert, und kommt mit diesem nicht in Kontakt. Beim Eintreten in das Durchgangsstück 328' in dem Niveau 312' strömt das erwärmte Fluid zu dem Anschluß 316' und tritt aus dem Wärmetauscher 300' aus. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß das Fluid alternativ einen entgegengesetzten Weg, zu dem in den 12B und 12I gezeigten, strömt, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
In der bevorzugten Verteilerschicht 306 sind die Öffnungen 322 so angeordnet, daß die Weglänge, die das Fluid in der Zwischenschicht 302 strömt, minimiert ist, während die Wärmequelle 99 geeignet gekühlt wird. In der alternativen Verteilerschicht 306' sind die Öffnungen 322' und die Öffnungen 324' so angeordnet, daß die Weglänge, die das Fluid in der Zwischenschicht 302' strömt, minimiert ist, während die Wärmequelle 99 geeignet gekühlt wird. Die Öffnungen 322', 324' stellen insbesondere im wesentlichen vertikale Fluidpfade bereit, so daß die Strömung in X- und Y-Richtung (seitliche Richtung) in dem Wärmetauscher 300' minimiert ist. Auf diese Weise verringert der Wärmetauscher 300, 300' erheblich die Weglänge, die das Fluid strömen muß, um die Wärmequelle 99 geeignet zu kühlen, wodurch wiederum erheblich der Druckabfall verringert wird, der in dem Wärmetauscher 300, 300' und dem Regelkreis 30, 30' (2A bis 2B) erzeugt wird.
Die genaue Anordnung und Querschnittsgrößen der Öffnungen 322 und/oder Öffnungen 324 hängen von einer Reihe von Faktoren ab, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf, Strömungszustände, Temperatur, Wärme, die von der Wärmequelle 99 erzeugt wird, und Fluidströmungsrate. Es wird festgestellt, daß, obwohl sich die folgende Beschreibung auf die Öffnungen 322 und 324 bezieht, es offensichtlich ist, daß die Beschreibung ebenso ausschließlich auf die Öffnungen 322 oder die Öffnungen 324 angewendet werden kann.
Die Öffnungen 322, 324 weisen untereinander einen optimalen Abstand auf, wodurch der Druckabfall verringert wird, wenn die Wärmequelle 99 geeignet auf eine gewünschte Temperatur gekühlt wird. Die Anordnung und der optimale Abstand der Öffnungen 322 und/oder der Öffnungen 324 erlauben in der bevorzugten Ausführungsform ferner eine unabhängige Optimierung der Öffnungen 322, 324 und der Fluidpfade (allgemein) durch die Zwischenschicht 302, indem die Abmessungen und Positionen der einzelnen Öffnungen geändert werden. Die Anordnung der Öffnungen in der bevorzugten Ausführungsform erhöht ebenso zusätzlich erheblich die Teilung des Gesamtstromes, der in die Zwischenschicht eintritt, wie auch der Größe des Bereichs, der durch das Fluid gekühlt wird, das durch jede Öffnung 322 eintritt.
In einer Ausführungsform sind die Öffnungen 322, 324 in einer abwechselnden Anordnung oder in einem „Schachbrett"-Muster in der Verteilerschicht 306 angeordnet, wie in den 13 und 14 gezeigt. Jede der Öffnungen 322, 324 ist um die kleinste Weglänge beabstandet, die das Fluid in dem „Schachbrett"-Muster strömen muß. Jedoch müssen die Öffnungen 322, 324 eine ausreichende Weglänge voneinander getrennt sein, um die kühlende Flüssigkeit der Zwischenschicht 302 für einen ausreichenden Zeitraum bereitzustellen. Wie in den 13 und 14 gezeigt, ist es bevorzugt, daß eine oder mehrere der Öffnungen 322 benachbart zu einer entsprechenden Anzahl von Öffnungen oder umgekehrt angeordnet ist/sind, so daß das Fluid, das in die Zwischenschicht 302 eintritt, die kleinste Weglänge entlang der Zwischenschicht 302 strömen muß, bevor es aus der Zwischenschicht 302 austritt. Wie in den Figuren gezeigt, ist es daher bevorzugt, daß die Öffnungen 322, 324 radial umeinander angeordnet sind, um das Fluid beim Strömen der kleinsten Weglänge von irgendeiner Öffnung 322 zu der am nächsten liegenden Öffnungen 324 zu unterstützen. Wie beispielsweise in 13 gezeigt, strömt das Fuid, das in die Zwischenschicht 302 durch eine bestimmte Öffnung 322 eintritt, den Pfad des geringsten Widerstandes zu einer benachbarten Öffnung 324. Ferner weisen die Öffnungen 322, 324 bevorzugt eine kreisrunde Form auf, obwohl die Öffnungen jede andere Form aufweisen können.
Wie oben ausgeführt, obwohl die Öffnungen 324, die in den Figuren gezeigt sind, aus dem Zirkulationsniveau 304 oder dem Niveau 308, 312 als ein zylindrisches Element hervorstehen, stehen die Öffnungen alternativ nicht aus irgendeinem der Niveaus in der Verteilerschicht 306 hervor. Es ist ferner bevorzugt, daß die Verteilerschicht 306 abgerundete Oberflächen um die Bereiche aufweist, in denen das Fluid die Richtung ändert, um ein Verringern des Druckabfalls in dem Wärmetauscher 300 zu unterstützen.
Die Anordnung in einer optimale Weglänge wie auch die Abmessungen der Öffnungen 322, 324 hängen von dem Temperaturwert ab, dem das Fluid entlang der Zwischenschicht 302 ausgesetzt ist. Es ist ferner wichtig, daß die Querschnittsabmessungen für die Fluidpfade in den Öffnungen 322, 324 groß genug sind, um den Druckabfall in dem Wärmetauscher 300 zu verringern. In dem Fall, in dem das Fluid ausschließlich eine einphasige Strömung entlang der Zwischenschicht 302 ausführt, ist jede Öffnung 322 bevorzugt von mehreren benachbarten Öffnungen 324 in einer symmetrischen hexagonalen Anordnung umgeben, wie in 13 gezeigt. Bei einer einphasigen Strömung ist es ferner bevorzugt, daß die Anzahl der Öffnungen im wesentlichen der in dem Zirkulationsniveau 304 entspricht. Bei einer einphasigen Strömung weisen die Öffnungen 322, 324 ferner bevorzugt denselben Durchmesser auf. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß andere Anordnungen wie auch irgendein Verhältnis von Öffnungen 322, 324 alternativ betrachtet werden können.
In dem Fall, daß das Fluid eine zweiphasige Strömung entlang der Zwischenschicht 302 ausführt, sind nichtsymmetrische Anordnungen der Öffnungen 322, 324 bevorzugt, um eine Beschleunigung des zweiphasigen Fluides zu ermöglichen. Jedoch werden auch symmetrische Anordnungen der Öffnungen 322, 324 für eine zweiphasige Strömung betrachtet. Beispielsweise können die Öffnungen 322, 324 symmetrisch in dem Zirkulationsniveau 304 angeordnet sein, wobei die Öffnungen 324 größere Austrittsöffnungen als die Öffnungen 322 aufweisen. Alternativ wird die hexagonale symmetrische Anordnung, die in 13 gezeigt ist, in dem Zirkulationsniveau 304 für eine zweiphasigen Strömung verwendet, wobei mehr Öffnungen 324 als Öffnungen 322 in dem Zirkulationsniveau 304 vorliegen.
Es sollte festgestellt werden, daß die Öffnungen 322, 324 in dem Zirkulationsniveau alternativ angeordnet sein können, um heiße Bereiche in der Wärmequelle 99 zu kühlen. Daher sind beispielsweise zwei Öffnungen 322 alternativ direkt nebeneinander in dem Zirkulationsniveau 304 angeordnet, wodurch beide Öffnungen 322 nahe oder oberhalb eines einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereichs angeordnet sind. Es ist offensichtlich, daß die geeignete Anzahl von Öffnungen 324 benachbart zu beiden Öffnungen 322 angeordnet ist, um den Druckabfall in der Zwischenschicht 302 zu verringern. Somit führen die beiden Öffnungen 322 die Kühlflüssigkeit dem einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich zu, um den einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich, oben beschrieben, auf eine einheitliche, im wesentlichen gleiche Temperatur zu bringen.
Wie oben ausgeführt, weist der bevorzugte Wärmetauscher 300 erhebliche Vorteile gegenüber anderen Wärmetauschern auf. Die Anordnung des bevorzugten Wärmetauschers 300 wird alternativ mit einer Pumpe von geringer Leistung verwendet, aufgrund der Verringerung des Druckabfalls, die durch die vertikalen Fluidpfade erreicht wird. Ferner erlaubt die Anordnung des bevorzugten Wärmetauschers 300 eine unabhängige Optimierung des Einlasses und der Fluidpfade entlang der Zwischenschicht 302. Ferner erlauben die getrennten Niveaus eine anwenderspezifische Gestaltung, um die Einheitlichkeit der Wärmeübertragung, die Verringerung des Druckabfalls und die Abmessungen der einzelnen Komponenten darin zu optimieren. Die Anordnung des bevorzugten Wärmetauschers 300 verringert ferner den Druckabfall in Regelkreisen, in denen das Fluid einer zweiphasigen Strömung unterliegt, und kann daher in einphasigen wie auch in zweiphasigen Regelkreisen verwendet werden. Wie unten beschrieben, ermöglicht der bevorzugte Wärmetauscher viele verschiedene Herstellungsverfahren und erlaubt die Einstellung der Komponentengeometrie zu Toleranzzwecken.
Einzelheiten darüber, wie der Wärmetauscher 100 wie auch die einzelnen Schichten in dem Wärmetauscher 100 gefertigt und hergestellt werden, sind unten beschrieben. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die bevorzugten und alternativen Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung obwohl auf den Wärmetauscher 100 in 3B und die einzelnen Schichten in diesem ausdrücklich der Einfachheit halber Bezug genommen wird. Es ist für einen Fachmann ferner offensichtlich, daß, obwohl die Fertigungs-/Herstellungs-Einzelheiten unter Bezug auf die vorliegende Erfindung beschrieben sind, die Einzelheiten der Fertigung und Herstellung alternativ ebenso für herkömmliche Wärmetauscher wie auch für zwei- und drei schichtige Wärmetauscher, die einen Fluideinlaßanschluß und einen Fluidanschluß verwenden, wie in den 1A bis 1C gezeigt, Anwendung finden.
Bevorzugt weist die Zwischenschicht einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der ungefähr gleich dem oder identisch mit dem der Wärmequelle 99 ist. Die Zwischenschicht dehnt sich daher bevorzugt entsprechend mit der Wärmequelle 99 aus und zieht sich mit dieser zusammen. Alternativ weist das Material der Zwischenschicht 302 einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der sich von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Wärmequelle unterscheidet. Eine Zwischenschicht 302, die aus einem Material, wie zum Beispiel Silizium besteht, weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der dem der Wärmequelle 99 entspricht, und weist eine ausreichende thermische Leitfähigkeit auf, um geeignet Wärme von der Wärmequelle 99 auf das Fluid zu übertragen. Jedoch werden alternativ andere Materialien in der Zwischenschicht 302 verwendet, die thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, die dem der Wärmequelle 99 entsprechen.
Die Zwischenschicht weist bevorzugt einen hohe thermische Leitfähigkeit auf, um eine ausreichende Leitung zu ermöglichen, die zwischen der Wärmequelle 99 und dem Fluid, das entlang der Zwischenschicht 302 strömt, erfolgt, so daß sich die Wärmequelle 99 nicht überhitzt. Die Zwischenschicht besteht bevorzugt aus einem Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit von 100 W/mK. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß die Zwischenschicht 302 eine thermische Leitfähigkeit von mehr oder weniger als 100 W/mK aufweisen kann und nicht auf diesen Wert begrenzt ist.
Um die bevorzugte hohe thermische Leitfähigkeit zu erreichen, ist die Zwischenschicht bevorzugt aus einem Halbleitersubstrat, wie zum Beispiel Silizium, hergestellt. Alternativ ist die Zwischenschicht aus irgendeinem anderen Material hergestellt, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf, einkristalline dielektrische Materialien, Metalle, Aluminium, Nickel und Kupfer, Kovar, Graphit, Diamant, Kompositwerkstoffe und jegliche geeignete Legierungen. Ein alter natives Material der Zwischenschicht 302 ist ein gemustertes oder gegossenes organisches Gitter.
Wie in 15 gezeigt, ist es bevorzugt, daß die Zwischenschicht mit einer Beschichtungsschicht 112 beschichtet ist, um das Material der Zwischenschicht zu schützen wie auch die thermischen Austauscheigenschaften der Zwischenschicht zu verbessern. Die Beschichtung 112 bietet insbesondere einen chemischen Schutz, der bestimmte chemische Wechselwirkungen zwischen dem Fluid und der Zwischenschicht 302 beseitigt. Beispielsweise wird eine Zwischenschicht 302, die aus Aluminium hergestellt ist, von dem Fluid verätzt, das in Kontakt mit diesem kommt, wodurch die Zwischenschicht 102 mit der Zeit abgetragen würde. Die Beschichtung 112 aus einer dünnen Nickelschicht, ca. 25 μm, wird daher auf die Oberfläche der Zwischenschicht 302 galvanisiert, um chemisch jegliche mögliche Reaktionen zu verhindern, ohne wesentlich die thermischen Eigenschaften der Zwischenschicht 302 zu verändern. Es ist offensichtlich, daß jegliches andere Beschichtungsmaterial mit der geeigneten Schichtdicke betrachtet wird, abhängig von dem Material (den Materialien) in der Zwischenschicht 302.
Die Zwischenschicht 302 wird durch ein Ätzverfahren gebildet, das ein Kupfermaterial verwendet, das mit einer dünnen Schicht aus Nickel beschichtet ist, um die Zwischenschicht 302 zu schützen. Alternativ ist die Zwischenschicht 302 aus Aluminium, Siliziumsubstrat, Kunststoff oder irgendeinem anderen geeigneten Material hergestellt. Die Zwischenschicht 302, die aus Materialien mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit hergestellt ist, wird ebenfalls mit einem geeigneten Beschichtungsmaterial beschichtet, um die thermische Leitfähigkeit der Zwischenschicht 302 zu verbessern. Ein Verfahren zur galvanoplastischen Herstellung der Zwischenschicht besteht darin, eine Impfschicht aus Chrom oder einem geeigneten anderen Material entlang der unteren Oberfläche der Zwischenschicht 302 und eine elektrische Verbindung von geeigneter Spannung mit der Impfschicht vorzusehen. Die elektrische Verbindung bildet dadurch eine Schicht des thermisch leitenden Beschichtungsmaterials 112 auf der Oberseite der Zwischenschicht 302. Das galvanoplastische Verfahren bildet ebenso Merk malsabmessungen im Bereich von 10 bis 100 μm. Die Zwischenschicht 302 wird durch ein galvanoplastisches Verfahren gebildet, wie zum Beispiel durch Muster-Elektroplattieren. Ferner wird die Zwischenschicht alternativ durch fotochemisches Ätzen oder chemisches Abtragen, alleine oder in Kombination mit dem galvanoplastischen Verfahren, bearbeitet. Herkömmliche Lithographieanordnungen zum chemischen Abtragen werden verwendet, um Merkmale in der Zwischenschicht 302 zu bearbeiten. Ferner können Längenverhältnisse und Toleranzen verbessert werden, indem ein laserunterstütztes chemisches Abtragungsverfahren verwendet wird.
Die Säulen 303, die oben beschrieben sind, können durch eine Reihe von Verfahren hergestellt werden. Jedoch sollte festgestellt werden, daß die Säulen 303 so hergestellt sind, daß sie eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Es ist bevorzugt, daß die Säulen 303 aus einem Material mit einer sehr hohen Leitfähigkeit hergestellt sind, wie zum Beispiel Kupfer. Jedoch werden andere Materialien, wie zum Beispiel Silizium, ebenfalls von einem Fachmann betrachtet. Die Säulen 303 können durch verschiedene Mittel hergestellt werden, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf, ein galvanoplastisches Verfahren, EDM-Draht-Herstellung, Prägen, MIM und spanende Bearbeitung. Ferner können Sägen, die über die Oberfläche schneiden, und/oder Fräswerkzeuge die gewünschte Anordnung in der Zwischenschicht 302 erzeugen. Bei einer Zwischenschicht 302, die aus Silizium besteht, würden die Säulen 303 von Verfahren wie zum Beispiel Plasmaätzen, Sägen, lithographische Mustererzeugung und verschiedene nasse Ätzverfahren hergestellt, abhängig von dem gewünschten Längenverhältnis der Säulen 303 in der Zwischenschicht 302. Die radial angeordneten, rechtwinkligen Rippen 303E (10E) können durch lithographische Mustererzeugung hergestellt werden, wobei Plasmaätzen oder galvanische bzw. Elektroplattier-Verfahren in den lithographisch erzeugten Formen verwendet werden.
In der alternativen Ausführungsform sind die Mikrokanalwände 110, die in der Zwischenschicht 102 verwendet werden, aus Silizium hergestellt. Die Mikrokanalwände 110 sind alternativ aus beliebigen anderen Materialien hergestellt, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf, gemustertes Glas, Polymere und ein gegossenes Polymergitter. Obwohl die Mikrokanalwände 110 aus demselben Material wie die untere Oberfläche 103 der Zwischenschicht 102 bestehen, sind die Mikrokanalwände 110 alternativ aus einem anderen Material wie das der übrigen Zwischenschicht 102 hergestellt.
In der alternativen Ausführungsform weisen die Mikrokanalwände 110 thermische Leitfähigkeitscharakteristika von mindestens 10 W/mK auf. Alternativ weisen die Mikrokanalwände 110 thermische Leitfähigkeitscharakteristika von mehr als 10 W/mK auf. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß die Mikrokanalwände 110 alternativ thermische Leitfähigkeitscharakteristika von weniger als 10 W/mK aufweisen, wobei ein Beschichtungsmaterial 112 auf den Mikrokanalwänden 110 vorgesehen ist, wie in 15 gezeigt, um die thermische Leitfähigkeit der Wandmerkmale 110 zu erhöhen. Für Mikrokanalwände 110, die aus Materialien bestehen, die bereits eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, weist die vorgesehene Beschichtung 112 eine Dicke von mindestens 25 μm auf, die ferner die Oberfläche der Mikrokanalwände 110 schützt. Bei Mikrokanalwänden 110, die aus einem Material mit schlechten thermischen Leitfähigkeitscharakteristika hergestellt sind, weist die Beschichtung 112 eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 50 W/mK auf und ist mehr als 25 μm dick. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß andere Arten von Beschichtungsmaterialien wie auch Dickenabmessungen betrachtet werden.
Um die Mikrokanalwände 110 so auszulegen, daß sie eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweisen, werden die Wände 110 zusammen mit dem Beschichtungsmaterial 112 (15) durch ein galvanoplastisches Verfahren gebildet, wobei das Beschichtungsmaterial beispielsweise Nickel oder ein anderes Metall ist, wie oben beschrieben. Um die Mikrokanalwände 110 so auszulegen, daß sie eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 50 W/mK aufweisen, werden die Wände 110 mit Kupfer auf einer Impfschicht aus einem dünnen Metallfilm galvanisiert. Alternativ werden die Mikrokanalwände 110 nicht mit dem Beschichtungsmaterial beschichtet. Es ist verständlich, daß die thermischen Leitfähigkeitscharakteristika der Mikrokanalwände 110 und der Beschichtung 112 ge gebenenfalls auch auf die Säulen 303 (10A) und jegliche geeignete Beschichtung, die auf diesen vorgesehen ist, angewendet werden können.
Die Mikrokanalwände 110 sind durch eine heiße Prägetechnik gebildet, um ein hohes Längenverhältnis der Kanalwände 110 entlang der unteren Oberfläche 103 der Zwischenschicht 102 zu erreichen. Die Mikrokanalwandmerkmale 110 sind alternativ als Siliziumstrukturen hergestellt, die auf einer Glasoberfläche abgelagert sind, wobei die Merkmale auf das Glas in der gewünschten Anordnung geätzt sind. Die Mikrokanalwände 110 sind alternativ durch herkömmliche Lithographietechniken, Prägeverfahren oder die vorgenannten Verfahren oder irgendein weiteres geeignetes Verfahren gebildet. Die Mikrokanalwände 110 sind alternativ getrennt von der Zwischenschicht 102 gebildet und mit der Zwischenschicht 102 durch eine anodische oder Epoxy-Verbindung verbunden. Alternativ sind die Mikrokanalmerkmale 110 mit der Zwischenschicht 102 durch herkömmliche galvanoplastische Techniken, wie zum Beispiel Galvanisieren, verbunden.
Es gibt eine Reihe von Verfahren, die verwendet werden können, um die intermediäre Schicht 104 herzustellen. Die intermediäre Schicht besteht aus Silizium. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß jegliches weitere geeignete Material betrachtet wird, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf, Glas, lasergemustertes Glas, Polymere, Metalle, Glas, Kunststoff, gegossene organische Materialien oder jegliche Zusammensetzungen davon. Alternativ ist die intermediäre Schicht 104 unter Verwendung von Plasmaätztechniken hergestellt. Alternativ ist die intermediäre Schicht 104 unter Verwendung einer chemischen Ätztechnik hergestellt. Weitere alternative Verfahren umfassen Spanen, Ätzen, Extrudieren und/oder Schmieden eines Metalls in die gewünschte Form. Die intermediäre Schicht 104 wird alternativ durch Spritzgießen eines Kunststoffgitters in der gewünschten Form hergestellt. Alternativ wird die intermediäre Schicht 104 gebildet, indem eine Glasplatte durch Laserschneiden in die gewünschte Form gebracht wird.
Die Verteilerschicht 306 kann durch eine Reihe von Verfahren hergestellt werden. Die bevorzugte Verteilerschicht 306 ist als ein einziges Element hergestellt. Alternativ ist die bevorzugte Verteilerschicht 306 aus getrennten Komponenten, die in 12 gezeigt sind, hergestellt, die dann miteinander gekoppelt werden. Die Verteilerschicht 306 kann in einem Spritzgießverfahren, das Kunststoff, Metall, Polymerverbindungen oder jedes andere geeignete Material verwendet, hergestellt werden, wobei jede Schicht aus demselben Material besteht. Alternativ, wie oben beschrieben, ist jede Schicht aus einem anderen Material hergestellt. Die Verteilerschicht 306 wird alternativ durch eine Spantechnik oder eine Metallätztechnik hergestellt. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß die Verteilerschicht 306 durch Verwendung irgendeines geeigneten Verfahrens hergestellt werden kann.
Die intermediäre Schicht 104 ist mit der Zwischenschicht 102 und der Verteilerschicht 106 gekoppelt, um den Wärmetauscher 100 zu bilden, wobei zu diesem Zweck eine Vielzahl von Verfahren verwendet werden können. Die Zwischenschicht 102, die intermediäre Schicht 104 und die Verteilerschicht 106 sind miteinander durch ein anodisches, Klebe- oder eutektisches Verbindungsverfahren miteinander gekoppelt. Die intermediäre Schicht 104 ist alternativ in Merkmale der Verteilerschicht 106 und der Zwischenschicht 102 integriert. Die intermediäre Schicht 104 ist mit der Zwischenschicht 102 durch ein chemisches Verbindungsverfahren gekoppelt. Die intermediäre Schicht 104 wird alternativ durch ein heißes Prägeverfahren oder eine weiche Lithographietechnik hergestellt, wobei eine Drahtfunkenerosion oder ein Siliziumstempel verwendet wird, um die intermediäre Schicht 104 zu prägen. Die intermediäre Schicht 104 wird dann alternativ mit einem Metall oder einem weiteren geeigneten Material galvanisiert, um die thermische Leitfähigkeit der intermediären Schicht zu erhöhen, falls erforderlich.
Alternativ wird die intermediäre Schicht 104 zusammen mit der Fertigung der Mikrokanalwände 110 in der Zwischenschicht 102 durch ein Spritzgießverfahren hergestellt. Alternativ wird die intermediäre Schicht 104 bei der Fertigung der Mikrokanalwände 110 durch irgendein weiteres geeignetes Verfahren gebildet. Weitere Verfahren zum Bilden des Wärmetau schers umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Löten, Schmelzverbindung, eutektische Verbindung, intermetallische Verbindung und jede weitere geeignete Technik, abhängig von den Arten der Materialien, die in jeder Schicht verwendet werden.
Ein weiteres alternatives Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers der vorliegenden Erfindung ist in 16 beschrieben. Wie unter Bezug auf 16 beschrieben, umfaßt ein alternatives Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers das Erzeugen einer harten Maske, die aus einem Siliziumsubstrat als Zwischenschicht gebildet ist (Schritt 500). Die harte Maske besteht aus einem Siliziumdioxid oder alternativ aus einem Spin-on-Glass. Ist die harte Maske einmal gebildet, wird eine Vielzahl von Unterkanälen in der harten Maske gebildet, wobei die Unterkanäle die Fluidpfade zwischen den Mikrokanalwänden 110 (Schritt 502) bilden. Die Unterkanäle sind durch irgendein geeignetes Verfahren gebildet, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf, HF-Ätztechniken, chemisches Abtragen, weiche Lithographie und Xenon-Difluorid-Ätzen. Ferner muß ein ausreichender Raum zwischen jedem Unterkanal sichergestellt sein, so daß zwischen nebeneinander liegenden Unterkanälen keine Brücke gebildet wird. Danach wird das Spin-on-Glas mittels irgendeines herkömmlichen Verfahrens auf die obere Oberfläche der harten Maske aufgebracht, um die intermediäre Schicht und die Verteilerschicht (Schritt 504) zu bilden. Dann wird die intermediäre Schicht und die Verteilerschicht durch ein Aushärtungsverfahren (Schritt 506) gehärtet. Sind die intermediäre Schicht und die Verteilerschicht einmal vollständig gebildet und gehärtet, wird ein Fluidanschluß oder werden mehrere Fluidanschlüsse in der gehärteten Schicht (Schritt 508) gebildet. Die Fluidanschlüsse werden durch Ätzen oder alternativ durch Bohren in der Verteilerschicht gebildet. Obwohl bestimmte Verfahren zur Fertigung der Zwischenschicht 102, der intermediären Schicht 104 und der Verteilerschicht 106 in dieser Schrift beschrieben sind, werden weitere bekannte Verfahren, die im Stand der Technik bekannt sind, um Wärmetauscher 100 herzustellen, alternativ betrachtet.
17 zeigt eine alternative Ausführungsform des Wärmetauschers der vorliegenden Erfindung. Wie in 6 gezeigt, sind zwei Wärmetauscher 200, 200' mit einer Wärmequelle 99 gekoppelt. Insbesondere ist die Wärmequelle 99, wie zum Beispiel eine elektronische Vorrichtung, mit einer Platine 96 gekoppelt und aufrecht angeordnet, wodurch jede Seite der Wärmequelle 99 möglicherweise freigelegt ist. Ein Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung ist mit einer freigelegten Seite der Wärmequelle 99 gekoppelt, wobei beide Wärmetauscher 200, 200' eine maximale Kühlung der Wärmequelle 99 ermöglichen. Alternativ ist die Wärmequelle 99 mit der Platine horizontal gekoppelt, wobei mehr als ein Wärmetauscher auf die Oberseite der Wärmequelle 99 (nicht dargestellt) gesteckt ist, wobei jeder Wärmetauscher elektrisch mit der Wärmequelle 99 gekoppelt ist. Genauere Angaben bezüglich dieser Ausführungsform sind in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit der Serien-Nummer 10/072,137, die am 07. Februar 2002 eingereicht wurde und den Titel trägt „Leistungskonditionierungs-Modul" („Power Conditioning Module"), die durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen ist, gezeigt und beschrieben.
Wie in 17 gezeigt, ist der Wärmetauscher 200 mit zwei Schichten an die linke Seite der Wärmequelle 99 gekoppelt, und der Wärmetauscher 200' mit drei Schichten ist an die rechte Seite der Wärmequelle 99 gekoppelt. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß die Wärmetauscher an die Seiten der Wärmequelle 99 gekoppelt sind. Für einen Fachmann ist ebenso offensichtlich, daß die alternativen Ausführungsformen des Wärmetauschers 200' alternativ an die Seiten der Wärmequelle 99 gekoppelt sind. Die alternative Ausführungsform, die in 17 gezeigt ist, erlaubt eine genauere Kühlung des heißen Bereichs der Wärmequelle 99, indem Fluid zugeführt wird, um die heißen Bereiche zu kühlen, die entlang der Dicke der Wärmequelle 99 vorliegen. Auf diese Weise ermöglicht die Ausführungsform in 17 eine geeignete Kühlung von heißen Bereichen in der Mitte der Wärmequelle 99, indem Wärme von beiden Seiten der Wärmequelle 99 ausgetauscht wird. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß die in 17 gezeigte Ausführungsform mit dem Kühlregelkreis 30 in 2A bis 2B verwendet wird, obwohl andere geschlossene Regelkreise betrachtet werden.
Wie oben ausgeführt, weist die Wärmequelle 99 alternativ Charakteristika auf, in denen die Positionen von einem heißen Bereich oder mehreren heißen Bereichen sich ändern, aufgrund von verschiedenen Aufgaben, die von der Wärmequelle 99 ausgeführt werden sollen. Um die Wärmequelle 99 geeignet zu kühlen, umfaßt der Regelkreis 30 alternativ ein Mess- und Steuerungsmodul 34 (2A bis 2B), das die Strömungsmenge und/oder die Strömungsrate des Fluids, das in den Wärmetauscher 100 eintritt, in Abhängigkeit von einer Änderung der Position der heißen Bereiche dynamisch ändert.
Wie in 17 gezeigt, sind insbesondere ein oder mehrere Sensoren 124 in jedem einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich in dem Wärmetauscher 200 und/oder alternativ in der Wärmequelle 99 an jeder möglichen Position eines heißen Bereichs angeordnet. Alternativ ist eine Vielzahl von Wärmequellen gleichförmig zwischen der Wärmequelle und dem Wärmetauscher und/oder in dem Wärmetauscher selbst angeordnet. Das Steuerungsmodul 38 (2A bis 2B) ist ferner mit einem oder mehreren Ventilen) in dem Regelkreis 30 gekoppelt, der den Fluidstrom zu dem Wärmetauscher 100 steuert. Das eine oder die mehreren Ventile) ist (sind) in den Fluidleitungen angeordnet, jedoch alternativ an einer anderen Stelle angeordnet. Die Vielzahl von Sensoren 124 ist mit dem Steuerungsmodul 34 gekoppelt, wobei das Steuerungsmodul 34 bevorzugt stromaufwärts von dem Wärmetauscher 100 angeordnet ist, wie in 2 gezeigt. Alternativ ist das Steuerungsmodul 34 an irgendeiner anderen Stelle in dem geschlossenen Regelkreis 30 angeordnet.
Die Sensoren 124 stellen dem Steuerungsmodul 34 Informationen bereit, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf, die Strömungsrate des Fluids, das in den einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich strömt, Temperatur der Zwischenschicht 102 in dem einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich und/oder der Wärmequelle 99 und die Temperatur des Fluids. Unter Bezug auf die schematische Darstellung in 17 stellen die Sensoren, die auf der Zwischenschicht 124 angeordnet sind, dem Steuerungsmodul 34 beispielsweise die Information bereit, daß die Temperatur in einem bestimmten, einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich in dem Wärmetauscher 200 ansteigt, wohingegen die Temperatur in einem bestimmten, einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischen schichtbereich in dem Wärmetauscher 200' absinkt. Als Reaktion steigert das Steuerungsmodul 34 die Strömungsmenge zu dem Wärmetauscher 200 und verringert die Strömungsmenge, die dem Wärmetauscher 200' zur Verfügung gestellt wird. In einer alternativen Ausführungsform ändert das Steuerungsmodul 34 alternativ die Strömungsmenge zu einem oder mehreren, einem heißen Bereich in der Wärmequelle entsprechenden Zwischenschichtbereich(en) in einem oder mehreren Wärmetauscher(n) als Reaktion auf die Informationen, die dieser von den Sensoren 118 erhält. Obwohl die Sensoren 118 in 17 in Verbindung mit zwei Wärmetauschern 200, 200' gezeigt sind, ist es offensichtlich, daß die Sensoren 118 alternativ mit nur einem Wärmetauscher gekoppelt sind.
Die vorliegende Erfindung wurde bezogen auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben, die Einzelheiten beinhalten, um das Verständnis der Prinzipien des Aufbaus und des Betriebablaufs der Erfindung zu ermöglichen. Ein derartiger Bezug in dieser Schrift auf bestimmte Ausführungsformen und Details derselben ist nicht dazu gedacht, den Bereich der Ansprüche zu begrenzen, die dieser Schrift angefügt sind. Es ist für Fachleute offensichtlich, daß Veränderungen in der Ausführungsform, die für die Darstellung gewählt wurde, vorgenommen werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Wärmetauscher mit: a. einer Zwischenschicht, die in Kontakt mit der Wärmequelle ist und ausgelegt ist, um Fluid hindurchzuleiten, um die Wärmequelle zu kühlen, wobei die Zwischenschicht eine Dicke von ca. 0,3 bis ca. 1 mm aufweist; und b. einer Verteilerschicht, die mit der Zwischenschicht gekoppelt ist, wobei die Verteilerschicht ferner eine erste Gruppe von vereinzelten Fluidpfaden aufweist, um Fluid zu der Zwischenschicht zu kanalisieren, wobei die einzelnen Fluidpfade in der ersten Gruppe angeordnet sind, um einen Druckabfall in dem Wärmetauscher zu minimieren.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerschicht ferner eine zweite Gruppe von vereinzelten Fluidpfaden aufweist, um Fluid aus der Zwischenschicht zu kanalisieren.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerschicht ferner einen ersten Anschluß, um Fluid zu der ersten Gruppe von vereinzelten Fluidpfaden zu leiten, und einen zweiten Anschluß, um Fluid abzuleiten, das von der zweiten Gruppe von vereinzelten Fluidpfaden kanalisiert wird, aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anordnung von Fluidpfaden angeordnet ist, um eine minimale Fluidpfadlänge entlang der Zwischenschicht bereitzustellen, um einen vorbestimmten Bereich der Wärmequelle auf eine gewünschte Temperatur zu kühlen.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Gruppe der Fluidpfade angeordnet sind, um eine minimale Fluidpfadlänge zwischen dem ersten und zweiten Anschluß bereitzustellen, um einen vorbestimmten Bereich der Wärmequelle auf eine gewünschte Temperatur zu kühlen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Fluid in einem einphasigen Strömungszustand befindet.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens ein Teil des Fluids in einem zweiphasigen Strömungszustand befindet.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Fluids einem Wechsel zwischen ein- und zweiphasigen Strömungszuständen in dem Wärmetauscher unterliegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerschicht ferner ein Zirkulationsniveau aufweist, durch das die ersten und zweiten Fluidpfade verlaufen, wobei das Zirkulationsniveau mit der Zwischenschicht gekoppelt ist und ausgelegt ist, um trennbar Fluid zu und aus der Zwischenschicht durch die erste und zweite Gruppe von Fluidpfaden zu kanalisieren.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Fluidpfad in der ersten Gruppe einen zylindrischen Vorsprung in Verbindung damit aufweist, wobei jeder zylindrische Vorsprung von dem Zirkulationsniveau um eine vorbestimmte Höhe vorsteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerschicht ferner umfaßt: a. ein erstes Niveau, das ausgelegt ist, Fluid zwischen dem ersten Anschluß und der ersten Gruppe von Fluidpfaden zu kanalisieren; b. ein zweites Niveau, das mit dem ersten Niveau gekoppelt ist und ausgelegt ist, um Fluid zwischen dem zweiten Anschluß und der zweiten Gruppe von Fluidpfaden zu kanalisieren, wobei in der Verteilerschicht Fluid, das durch das erste Niveau kanalisiert wird, getrennt gehalten wird von dem Fluid, das durch das zweite Niveau kanalisiert wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Niveau ferner ein erstes Durchgangsstück umfaßt, das in Verbindung mit dem ersten Anschluß und der ersten Gruppe von Fluidpfaden ist, wobei Fluid in dem ersten Durchgangsstück direkt zu der ersten Gruppe von Fluidpfaden strömt.
Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Niveau ferner ein zweites Durchgangsstück aufweist, das in Verbindung mit dem zweiten Anschluß und der zweiten Gruppe von Fluidpfaden ist, wobei das Fluid in der zweiten Gruppe direkt zu dem zweiten Durchgangsstück strömt.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gruppe von Fluidpfaden von der zweiten Gruppe von Fluidpfaden thermisch isoliert ist, um eine Wärmeübertragung zwischen diesen zu vermeiden.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Gruppe von Fluidpfaden in einer gleichförmigen Weise entlang mindestens einer Dimension angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Gruppe von Fluidpfaden in einer nicht gleichförmigen Weise entlang mindestens einer Dimension angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidpfade in der ersten Anordnung untereinander einen dichtesten optimalen Abstand aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Anordnung von Fluidpfaden angeordnet sind, um mindestens einen einem Bereich in der Wärmequelle entsprechenden heißen Zwischenschichtbereich zu kühlen.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der ersten Fluidpfade durch eine Vielzahl von ersten Öffnungen strömt, wobei mindestens eine der ersten Öffnungen aus der Vielzahl eine erste Abmessung aufweist, die im wesentlichen einer zweiten Abmessung mindestens einer Öffnung in der zweiten Gruppe von Fluidpfaden entspricht.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der ersten Fluidpfade durch eine Vielzahl von ersten Öffnungen strömt, wobei mindestens eine der ersten Öffnungen aus der Vielzahl eine erste Abmessung aufweist, die sich von einer zweiten Abmessung mindestens einer zweiten Öffnung in der zweiten Anordnung von Fluidpfaden unterscheidet.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 100 W/mK besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Zwischenschicht eine Beschichtung gebildet ist, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/mK bereitstellt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht ferner eine Vielzahl von Säulen aufweist, die in einem vorbestimmten Muster entlang der Zwischenschicht angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine aus der Vielzahl von Säulen ein Flächenmaß innerhalb des Bereichs von und einschließlich (10 μm)² bis (100 μm)² aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine aus der Vielzahl von Säulen eine Höhe innerhalb des Bereichs von und einschließlich 50 μm bis 2 mm aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei aus der Vielzahl von Säulen einen gegenseitigen Abstand innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 bis 150 μm aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Vielzahl von Säulen eine Beschichtung gebildet ist, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine aus der Vielzahl von Säulen mindestens eine variierende Abmessung entlang einer vorbestimmten Richtung aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine geeignete Anzahl von Säulen in einem vorbestimmten Bereich entlang der Zwischenschicht angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abschnitt der Zwischenschicht eine aufgerauhte Oberfläche aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beschichtung auf der Vielzahl von Säulen gebildet ist, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, ferner umfassend eine poröse Mikrostruktur, die entlang der Zwischenschicht angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Mikrostruktur eine Porosität innerhalb des Bereichs von und einschließlich 50 bis 80 % aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Mikrostruktur eine durchschnittliche Porengröße innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 bis 200 μm aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Mikrostruktur eine Höhe innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0,25 bis 2,00 mm aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Mikrostruktur mindestens eine Pore aufweist, die eine variierende Abmessung entlang einer vorbestimmten Richtung aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Vielzahl von Mikrokanälen, wobei diese in einer vorbestimmten Konfiguration entlang der Zwischenschicht angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer aus der Vielzahl von Mikrokanälen ein Flächenmaß innerhalb des Bereichs von und einschließlich (10 μm)² bis (100 μm)² aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer aus der Vielzahl von Mikrokanälen eine Höhe innerhalb des Bereichs von und einschließlich 50 μm bis 2 mm aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei aus der Vielzahl von Mikrokanälen einen gegenseitigen Abstand innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 bis 150 μm aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer aus der Vielzahl von Mikrokanälen eine Breite innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 bis 100 μm aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beschichtung auf der Vielzahl von Mikrokanälen gebildet ist, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht mit der Wärmequelle gekoppelt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht integral mit der Wärmequelle gebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle ein integrierter Schaltkreis ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überhangabmessung innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0 bis 15 mm besteht.
Wärmetauscher, der ausgelegt ist, eine Wärmequelle zu kühlen, umfassend: a. eine Zwischenschicht, die in Kontakt mit einer Wärmequelle ist und ausgelegt ist, Fluid hindurchzuleiten, wobei die Zwischenschicht eine Dicke in einem Bereich von ca. 0,3 bis ca. 1,0 mm aufweist; und b. eine Verteilerschicht, die mit der Zwischenschicht gekoppelt ist, wobei die Verteilerschicht ferner umfasst: i. ein erstes Niveau mit einer Vielzahl von im wesentlichen vertikal verlaufenden Einlaßpfaden, um Fluid an die Zwischenschicht abzugeben, wobei die Einlaßpfade so angeordnet sind, daß sie einen optimalen, gegenseitigen Fluidstreckenabstand aufweisen; und ii. ein zweites Niveau mit mindestens einem Auslaßpfad, um Fluid aus der Zwischenschicht zu leiten.
Wärmetauscher nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Niveau ferner mindestens einen ersten Anschluß aufweist, der ausgelegt ist, um Fluid zu den Einlaßpfaden zu kanalisieren.
Wärmetauscher nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Niveau ferner mindestens einen zweiten Anschluß aufweist, der ausgelegt ist, um Fluid von dem mindestens einen Auslaßpfad zu kanalisieren, wobei das Fluid in dem zweiten Niveau getrennt von dem Fluid in dem ersten Niveau strömt.
Wärmetauscher nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Niveau ferner eine Vielzahl von im wesentlichen vertikal verlaufenden Auslaßpfaden aufweist, um Fluid aus der Zwischenschicht zu leiten, wobei die Vielzahl von Einlaß- und Auslaßpfaden in einem optimalen gegenseitigen Fluidstreckenabstand voneinander angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerschicht ferner ein Zirkulationsniveau aufweist, das mit der Zwischenschicht gekoppelt ist und eine Vielzahl von ersten Öffnungen aufweist, die vertikal durch dieses verlaufen, um Fluid entlang der Einlaßpfade zu der Zwischenschicht zu kanalisieren, und eine Vielzahl von zweiten Öffnungen, die vertikal durch dieses verlaufen, um Fluid entlang dem mindestens einen Auslaßpfad von der Zwischenschicht zu kanalisieren.
Wärmetauscher nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Niveau ferner ein Durchgangsstück für ein Einlaßfluid vorgesehen ist, um Fluid von dem ersten Anschluß zu den ersten Öffnungen horizontal zu kanalisieren.
Wärmetauscher nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Niveau ferner ein Durchgangsstück für Auslaßfluid aufweist, um Fluid von den zweiten Öffnungen zu dem zweiten Anschluß horizontal zu kanalisieren.
Wärmetauscher nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Durchlässe einzeln, auf gleichförmige Weise entlang mindestens einer Dimension angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Fluiddurchlässe einzeln, auf nicht gleichförmige Weise entlang mindestens einer Dimension angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßpfade und der mindestens eine Auslaßpfad in der Verteilerschicht getrennt voneinander abgedichtet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht mit der Wärmequelle gekoppelt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht integral mit der Wärmequelle gebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle ein integrierter Schaltkreis ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Öffnungen angeordnet sind, um mindestens einen einem Bereich in der Wärmequelle entsprechenden heißen Zwischenschichtbereich zu kühlen.
Wärmetauscher nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der ersten Öffnungen eine Einlaßabmessung aufweist, die im wesentlichen einer Auslaßabmessung mindestens einer zweiten Öffnung aus der Vielzahl entspricht.
Wärmetauscher nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der ersten Öffnungen eine Einlaßabmessung aufweist, die sich von einer Auslaßabmessung mindestens einer zweiten Öffnung aus der Vielzahl unterscheidet.
Wärmetauscher nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 100 W/mK besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Zwischenschicht eine Beschichtung vorgesehen ist, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht ferner eine Vielzahl von Säulen aufweist, die auf dieser in einem geeigneten Muster angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine aus der Vielzahl von Säulen ein Flächenmaß innerhalb des Bereichs von und einschließlich (10 μm)² bis (100 μm)² aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine aus der Vielzahl von Säulen eine Höhe innerhalb des Bereichs von und einschließlich 50 μm bis 2 mm aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei aus der Vielzahl von Säulen einen gegenseitigen Abstand innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 bis 150 μm aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Vielzahl von Säulen eine Beschichtung gebildet ist, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine aus der Vielzahl von Säulen mindestens eine veränderliche Abmessung entlang einer vorbestimmten Richtung aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, daß eine geeignete Anzahl von Säulen in einem vorbestimmten Bereich entlang der Zwischenschicht angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abschnitt der Zwischenschicht eine aufgerauhte Oberfläche aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Vielzahl von Säulen eine Beschichtung gebildet ist, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 47, ferner umfassend eine poröse Mikrostruktur, die entlang der Zwischenschicht angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 74, wobei die poröse Mikrostruktur eine Höhe innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0,25 bis 2,00 mm aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 74, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Mikrostruktur mindestens eine Pore mit einer veränderlichen Abmessung entlang einer vorbestimmten Richtung aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 74, dadurch gekennzeichnet, daß eine mittlere Porengröße in der porösen Mikrostruktur innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 μm bis 200 μm liegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 74, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Mikrostruktur eine Porosität innerhalb des Bereichs von und einschließlich 50 bis 80 % aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht ferner eine Vielzahl von Mikrokanälen aufweist, die darauf in einem geeigneten Muster angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 79, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer aus der Vielzahl von Mikrokanälen ein Flächenmaß innerhalb des Bereichs von und einschließlich (10 μm)² bis (100 μm)² aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 79, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer aus der Vielzahl von Mikrokanälen eine Höhe innerhalb des Bereichs von und einschließlich 50 μm bis 2 mm aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 79, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei aus der Vielzahl von Mikrokanälen einen gegenseitigen Abstand innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 bis 150 μm aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 79, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer aus der Vielzahl von Mikrokanälen eine Breite innerhalb des Bereichs von und einschließlich 10 bis 100 μm aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 79, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Vielzahl von Mikrokanälen eine Beschichtung gebildet ist, wobei die Beschichtung eine geeignete thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überhangabmessung innerhalb des Bereichs von und einschließlich 0 bis 15 mm vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 51, ferner umfassend eine Vielzahl von zylindrischen Vorsprüngen, die eine geeignete Höhe aus dem Zirkulationsniveau hervorstehen, wobei jeder Vorsprung in Verbindung mit den ersten Öffnungen steht.
Elektronische Vorrichtung, die Wärme produziert, mit: a. einem integrierten Schaltkreis; b. einer Zwischenschicht, um Wärme abzuführen, die die elektronische Vorrichtung produziert, wobei die Zwischenschicht eine Dicke in einem Bereich von ca. 0,3 bis ca. 1,0 mm aufweist, die Zwischenschicht integral mit dem integrierten Schaltkreis gebildet ist und ausgelegt ist, Fluid hindurchzuleiten; und c. einer Verteilerschicht, um Fluid in der Zwischenschicht zu zirkulieren, wobei die Verteilerschicht mindestens einen Einlaßfluidpfad, um Fluid zu der Zwischenschicht zu leiten, und mindestens einen Auslaßfluidpfad, um Fluid aus der Zwischenschicht zu leiten, aufweist, wobei der mindestens eine Einlaßfluidpfad und der mindestens eine Auslaßfluidpfad angeordnet sind, um einen optimalen gegenseitigen minimalen Fluidstreckenabstand bereitzustellen.
Geschlossener Regelkreis zum Kühlen mindestens eines integrierten Schaltkreises mit: a. mindestens einem Wärmetauscher zum Absorbieren von Wärme, die der integrierte Schaltkreis erzeugt, wobei der Wärmetauscher ferner umfaßt: i. eine Zwischenschicht, die in Kontakt mit dem integrierten Schaltkreis ist und ausgelegt ist, Fluid hindurchzuleiten, wobei die Zwischenschicht eine Dicke in dem Bereich von ca. 0,3 bis ca. 1,0 mm aufweist; und ii. eine Verteilerschicht, die mit der Zwischenschicht gekoppelt ist, wobei die Verteilerschicht mindestens einen Einlaßfluidpfad, um Fluid zu der Zwischenschicht zu leiten, und mindestens einen Auslaßfluidpfad, um Fluid aus der Zwischenschicht zu leiten, aufweist, wobei der mindestens eine Einlaßfluidpfad und der mindestens eine Auslaßfluidpfad angeordnet sind, um einen optimalen, gegenseitigen, minimalen Fluidstreckenabstand bereitzustellen; mindestens eine Pumpe, um Fluid durch den Regelkreis zu zirkulieren, wobei die Pumpe mit dem mindestens einem Wärmetauscher gekoppelt ist; und c. mindestens eine Einrichtung zur Wärmeausschleusung, die mit der Pumpe und dem Wärmetauscher gekoppelt ist, um aus dem Wärmetauscher geleitete, aufgewärmte Flüssigkeit zu kühlen.