ES2240457T3 - MICROSTRUCTURED HEAT EXCHANGER AND PROCEDURE FOR MANUFACTURING. - Google Patents
MICROSTRUCTURED HEAT EXCHANGER AND PROCEDURE FOR MANUFACTURING.Info
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- F28F2260/02—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels
Abstract
Intercambiador de calor microestructurado con al menos una estructura de fibras huecas (10) a través de la que fluye un líquido o un gas, y al menos un cuerpo matricial (15) que rodea por regiones al menos la estructura de fibras huecas (10), en el que el cuerpo matricial (15) es un cuerpo de grafito, caracterizado porque el cuerpo matricial (15) es un cuerpo de grafito hecho de grafito prensado.Microstructured heat exchanger with at least one hollow fiber structure (10) through which a liquid or gas flows, and at least one matrix body (15) that surrounds at least the hollow fiber structure (10) by regions , in which the matrix body (15) is a graphite body, characterized in that the matrix body (15) is a graphite body made of pressed graphite.
Description
Intercambiador de calor microestructurado y procedimiento para su fabricación.Microstructured heat exchanger and manufacturing procedure
La invención se refiere a un intercambiador de calor microestructurado y a un procedimiento para la fabricación de un intercambiador de calor microestructurado de este tipo conforme al género indicado en las reivindicaciones subordinadas.The invention relates to an exchanger of microstructured heat and a process for manufacturing a microstructured heat exchanger of this type conforming to the gender indicated in the dependent claims.
La refrigeración de componentes electrónicos se ha llevado a cabo hasta el momento fundamentalmente por medio de conducción del calor en cuerpos sólidos a través de la carcasa o cuerpos de refrigeración externos. La potencia extraíble está limitada en este caso por medio de la conductividad térmica, los grosores de las paredes y la superficie específica de los componentes empleados. En tanto que se empleen intercambiadores de calor refrigerados por líquido, en la refrigeración de componentes electrónicos sigue dándose el problema del acoplamiento térmico del intercambiador de calor a este componente. Adicionalmente, los intercambiadores de calor refrigerados por líquidos son hasta el momento claramente más calor que los intercambiadores de calor basados en conceptos convencionales.The cooling of electronic components is has been carried out so far primarily through heat conduction in solid bodies through the housing or external cooling bodies. The removable power is limited in this case by means of thermal conductivity, the wall thicknesses and the specific surface of the components used. As long as exchangers are used liquid-cooled heat, in component cooling electronic is still the problem of thermal coupling of heat exchanger to this component. Additionally, the liquid-cooled heat exchangers are up to the moment clearly more heat than heat exchangers based on conventional concepts.
Una primera aproximación a la realización de intercambiadores de calor microestructurados con conducción del líquido definida a través de los espacios interiores capilares de estructuras de fibras huecas metálicas ha sido propuesta en el documento DE 199 10 985.0.A first approach to the realization of microstructured heat exchangers with conduction liquid defined through the capillary interior spaces of hollow metal fiber structures have been proposed in the DE 199 10 985.0.
Por el documento FR 23 73 498 A1 se conoce un elemento de refrigeración en el que están integrados uno o varios serpentines refrigerantes en un entorno de un derivado de carbono, como por ejemplo grafito. En la fabricación de este elemento de refrigeración se integran los serpentines refrigerantes metálicos en una masa pastosa de carbono, que a continuación se solidifica por medio de un calentamiento intenso, de manera que los serpentines refrigerantes estén rodeados por una matriz de grafito.From document FR 23 73 498 A1 a known cooling element in which one or more are integrated cooling coils in an environment of a carbon derivative, such as graphite. In the manufacture of this element of cooling the metal cooling coils are integrated into a pasty mass of carbon, which then solidifies by medium of intense heating, so that the coils Refrigerants are surrounded by a graphite matrix.
Por el documento EP 0 572 187 A2 se conoce el
hecho de generar un intercambiador de calor por medio del hecho de
que se rodee una serie de tubos, que han de transportar un medio
refrigerante, entre dos elementos de plástico, de tal manera que los
elementos de plástico rodeen los tubos, y adopten fundamentalmente
la forma exterior de los tubos. Entre los tubos individuales se unen
entre ellos los elementos de plástico, de manera que se produzcan
una estructura coherente que sirve para la fijación de los tubos
individuales. Para adaptar los elementos de plástico a la forma de
los tubos, en un procedimiento de fabricación dado a conocer en el
documento EP 0 572 187 A2 para un intercambiador de calor de este
tipo se calientan tanto los tubos como los elementos de plástico, de
manera que el material plástico blando fluya alrededor de la
estructura de tubos, o bien se embuta en caliente a la estructura
de
tubos.From EP 0 572 187 A2 it is known to generate a heat exchanger by means of the fact that a series of tubes are surrounded, which are to transport a cooling medium, between two plastic elements, such that the Plastic elements surround the tubes, and fundamentally adopt the outer shape of the tubes. Between the individual tubes the plastic elements are joined together, so as to produce a coherent structure that serves to fix the individual tubes. In order to adapt the plastic elements to the shape of the tubes, in a manufacturing process disclosed in EP 0 572 187 A2 for such a heat exchanger both the tubes and the plastic elements are heated, so that the soft plastic material flows around the tube structure, or hot stuffed into the structure of
tubes
El objetivo de la presente invención es la fabricación de un intercambiador de calor microestructurado, que por un lado haga posible un buen acoplamiento térmico al componente que se ha de refrigerar, y por otro lado sea económico en su producción, así como la preparación de un procedimiento de fabricación sencillo apropiado para él.The objective of the present invention is the manufacture of a microstructured heat exchanger, which by one side makes possible a good thermal coupling to the component that it has to be refrigerated, and on the other hand be economical in its production, as well as the preparation of a simple manufacturing procedure appropriate for him.
El intercambiador de calor microestructurado conforme a la invención y el procedimiento conforme a la invención tiene la ventaja respecto al estado de la técnica de que gracias a él es posible, de un modo sencillo, conectar en paralelo un gran número de pequeños tubitos o fibras huecas en el interior de una estructura de fibras huecas, y con ello, como consecuencia de la mayor superficie de intercambio de calor que se genera, transmitir o extraer una mayor potencia térmica. Adicionalmente representa una ventaja el hecho de que gracias al uso de grafito como cuerpo de la matriz se dé un acoplamiento térmico o conductividad térmica especialmente buena del intercambiador de calor microestructurado conforme a la invención. Adicionalmente, la estructura de fibras huecas empleada se puede fabricar en un gran número de variantes o de estructuras, y debido a ello se puede ajustar en el caso individual, de un modo sencillo, al objetivo planteado, respectivamente.The microstructured heat exchanger according to the invention and the method according to the invention it has the advantage over the state of the art that thanks to it is possible, in a simple way, to connect a large parallel number of small tubes or hollow fibers inside a hollow fiber structure, and with it, as a result of the greater heat exchange surface that is generated, transmitted or extract a greater thermal power. Additionally it represents a advantage of the fact that thanks to the use of graphite as the body of the matrix is given a thermal coupling or thermal conductivity especially good microstructured heat exchanger according to the invention. Additionally, the fiber structure Hollows used can be manufactured in a large number of variants or of structures, and because of this it can be adjusted in the case individual, in a simple way, to the stated objective, respectively.
El procedimiento de fabricación conforme a la invención se caracteriza por la facilidad y la múltiple posibilidad de aplicación por lo que se refiere a los intercambiadores de calor microestructurados que se pueden fabricar. Adicionalmente, es apropiado tanto para grafito como para otras sustancias elásticas o deformables de modo plástico mediante la aplicación de presión que presenten al mismo tiempo una buena conductividad térmica.The manufacturing process according to the invention is characterized by ease and multiple possibility of application as regards heat exchangers microstructures that can be manufactured. Additionally, it is suitable for both graphite and other elastic substances or plastic deformable by applying pressure that have a good thermal conductivity at the same time.
Las variantes ventajosas de la invención se derivan de las medidas mencionadas en las reivindicaciones subordinadas.Advantageous variants of the invention are derive from the measures mentioned in the claims subordinates
De este modo, es especialmente ventajoso que la estructura de fibras huecas empleada sea una disposición especialmente regular de tubos metálicos, que estén unidos de modo que dejen pasar el gas o el líquido con una tubería de alimentación común y una tubería de extracción común.Thus, it is especially advantageous that the hollow fiber structure employed be an arrangement especially regular metal tubes, which are joined so let the gas or liquid pass through a feed pipe common and a common extraction pipe.
A modo de cuerpo matricial es apropiado en particular, de modo ventajoso, un cuerpo de grafito hecho a partir de hojas de grafito presionadas entre sí, preferentemente fabricadas anteriormente a partir de grafito expandido, en las que se ha integrado la estructura de fibras huecas especialmente metálica por medio de compresión. En este caso se pueden emplear tanto hojas de grafito no estructuradas, es decir planas, como también hojas de grafito que antes de la presión han sido provistas de una estructuración negativa correspondiente a la disposición de los tubos de la estructura de fibras huecas.As a matrix body is appropriate in Particularly, advantageously, a body made of graphite made from of graphite sheets pressed together, preferably manufactured previously from expanded graphite, in which integrated the structure of hollow fibers especially metallic by compression medium In this case you can use both sheets of non-structured graphite, that is flat, as well as sheets of graphite that before the pressure have been provided with a negative structuring corresponding to the disposition of the hollow fiber structure tubes.
Por lo que se refiere al acoplamiento térmico de
un componente que se haya de refrigerar con el cuerpo matricial,
representa una ventaja el hecho de que éste esté conformado de modo
plano con forma de placa, y que se una con por medio de compresión
con el componente de refrigeración de modo que se produzca una
conducción del calor. Esta compresión, debido a la elasticidad o a
la capacidad de deformación plástica del cuerpo de grafito empleado,
es especialmente sencilla, y adicionalmente se compensan posibles
desigualdades en el componente de refrigeración, lo que lleva
adicionalmente a un acoplamiento térmico mejorado. Alternativa o
adicionalmente a ello, para la mejora del acoplamiento térmico o
bien para la mejora de la conducción del calor entre el cuerpo de
grafito y el componente que se ha de refrigerar también se puede
emplear una pasta conductora térmica, por ejemplo en forma de una
capa conductora
aplicada sobre el cuerpo de grafito
plano.As regards the thermal coupling of a component that is to be cooled with the matrix body, it is an advantage that it is shaped flat in the form of a plate, and that it is joined by means of compression with the cooling component so that heat conduction occurs. This compression, due to the elasticity or the plastic deformability of the graphite body used, is especially simple, and in addition possible inequalities in the cooling component are compensated, which additionally leads to an improved thermal coupling. Alternatively or additionally, for the improvement of the thermal coupling or for the improvement of the heat conduction between the graphite body and the component to be cooled, a thermal conductive paste can also be used, for example in the form of a conductive layer
applied on the flat graphite body.
La invención se describe con más detalle a partir de los dibujos y de la siguiente descripción. La Figura 1 muestra una estructura de fibras huecas metálicas, la Figura 2a muestra la compresión de esta estructura de fibras huecas con dos hojas de grafito, la Figura 2b muestra el cuerpo matricial obtenido después de la compresión según la Figura 2a con estructura integrada de fibras huecas, y la Figura 3 muestra un intercambiador de calor microestructurado en forma de una placa con placa de refrigeración aplicada.The invention is described in more detail from of the drawings and the following description. Figure 1 shows a structure of hollow metal fibers, Figure 2a shows the compression of this hollow fiber structure with two sheets of graphite, Figure 2b shows the matrix body obtained after of the compression according to Figure 2a with integrated structure of hollow fibers, and Figure 3 shows a heat exchanger microstructured in the form of a plate with cooling plate applied
La invención parte en primer lugar de una estructura de fibras huecas 10 metálica tal y como ha sido descrita en la solicitud DE 199 10 985.0 de forma similar. Debido a ello se prescindirá de los detalles del proceso de fabricación.The invention starts first of a hollow fiber structure 10 metal as described in application DE 199 10 985.0 in a similar manner. Because of that dispense with the details of the manufacturing process.
La Figura 1 muestra en primer lugar una estructura de fibras huecas 10 que ha sido fabricada según la solicitud DE 199 10 985.0. Ésta presenta un gran número de tubos 13 metálicos dispuestos paralelos entre ellos, que están unidos de modo que pasa el gas o el líquido con una tubería de alimentación 12 común y una tubería de extracción 11 común. Los tubos 13 y la tubería de alimentación 12 o bien la tubería de extracción 11 están formados, por ejemplo, de níquel. El grosor de las paredes de los tubos 13 de la estructura de fibras huecas 10 según la Figura 1 tiene un valor entre 100 nm y 50 \mum, en particular de 500 nm a 5 \mum. La distancia media de los tubos 13 de la estructura de fibras huecas 10 según la Figura 1 tiene un valor entre 5 \mum y 10 mm normalmente, en particular entre 20 \mum y 200 \mum.Figure 1 first shows a hollow fiber structure 10 that has been manufactured according to the Application DE 199 10 985.0. It has a large number of tubes 13 metallic arranged parallel to each other, which are joined so that passes the gas or liquid with a feed pipe 12 common and a common extraction pipe 11. The tubes 13 and the feed pipe 12 or the extraction pipe 11 are formed, for example, of nickel. The thickness of the walls of the tubes 13 of the hollow fiber structure 10 according to Figure 1 it has a value between 100 nm and 50 µm, in particular from 500 nm to 5 \ mum. The average distance of the tubes 13 of the structure of hollow fibers 10 according to Figure 1 has a value between 5 µm and 10 mm normally, in particular between 20 µm and 200 µm.
Para fabricar a partir de la microestructura según la Figura 1 un intercambiador de calor microestructurado 5, en primer lugar se preparan dos hojas de grafito 14 a partir de grafito previamente expandido, entre las cuales se dispone la estructura de fibras huecas 10. Esto se explica con la ayuda de la Figura 2a.To manufacture from the microstructure according to Figure 1 a microstructured heat exchanger 5, in First, two graphite sheets 14 are prepared from graphite previously expanded, among which the structure of hollow fibers 10. This is explained with the help of Figure 2a.
Bajo el nombre de grafito expandido se entiende en este caso grafito floculado, que presenta una densidad aparente típica que va aprox. De 2 g/l a 200 g/l, y que ha sido conformado, por ejemplo, a partir de plaquitas de grafito empapadas de ácido, la denominada sal de grafito, que han sido expandidas de modo explosivo a temperaturas elevadas de por ejemplo 1200ºC.Under the name expanded graphite is understood in this case flocculated graphite, which has an apparent density typical that goes approx. From 2 g / l to 200 g / l, and that has been shaped, for example, from acid-soaked graphite inserts, the called graphite salt, which have been explosively expanded at elevated temperatures of for example 1200 ° C.
La estructura de fibras huecas 10 se coloca preferentemente entre las hojas de grafito 14 de tal manera que los tubos 13 se encuentran entre las hojas 14, mientras que la tubería de extracción 11 y la tubería de alimentación 12 no están cubiertas por las hojas de grafito 14.The hollow fiber structure 10 is placed preferably between the graphite sheets 14 such that the tubes 13 are between the sheets 14, while the pipe extraction 11 and feed line 12 are not covered by the graphite sheets 14.
En concreto, según la Figura 2a está previsto disponer en primer lugar la estructura de fibras huecas 10 entre dos hojas de grafito 14 ligeramente presionadas hechas de grafito expandido, y a continuación presionar estas dos hojas de grafito 14 conjuntamente con la estructura de fibras huecas 10. En esta compresión, como consecuencia de la elasticidad y de la posibilidad de conformación plástica de las hojas de grafito 14, no se requiere ninguna sustancia aglutinante adicional. Adicionalmente, la elasticidad de las hojas de grafito 14 empleadas garantiza un acoplamiento térmico especialmente bueno de los tubos 13 a las hojas de grafito 14, de manera que se produce una alimentación de calor o una extracción de calor muy efectiva a partir del cuerpo matricial 15 surgido después de la compresión de las hojas de grafito 14 con la estructura de fibras huecas 10. El cuerpo matricial 15 surgido después de la compresión en forma de una placa está representado en este caso en la Figura 2b.Specifically, according to Figure 2a it is planned first arrange the hollow fiber structure 10 between two 14 lightly pressed graphite sheets made of graphite expanded, and then press these two graphite sheets 14 together with the hollow fiber structure 10. In this compression, as a result of elasticity and possibility plastic forming of graphite sheets 14, no required No additional binding substance. Additionally, the elasticity of the graphite sheets 14 used guarantees a especially good thermal coupling of the tubes 13 to the sheets of graphite 14, so that a heat feed is produced or a very effective heat extraction from the matrix body 15 emerged after compression of the graphite sheets 14 with the hollow fiber structure 10. The matrix body 15 emerged after compression in the form of a plate is represented in this case in Figure 2b.
Alternativamente a la compresión de dos hojas de grafito 14 planas según la Figura 2a, es posible que, igualmente, al menos uno de estas dos hojas de grafito, antes de la compresión, se provea de una estructuración negativa que se corresponda con la disposición de los tubos 13 de la estructura de fibras huecas 10. De esta manera es posible la compresión con una fuerza de compresión reducida, y se reduce el riesgo de daños originados por medio de la compresión en la estructura de fibras huecas 10. La estructuración negativa de al menos una de las hojas de grafito 14 se puede realizar, por ejemplo, por medio de un estampado correspondiente con una estructura de compresión correspondiente a la estructura de fibras huecas 10, o bien con un sello correspondiente.Alternatively to the compression of two sheets of Graphite 14 flat according to Figure 2a, it is also possible that at minus one of these two graphite sheets, before compression, is provide a negative structuring that corresponds to the arrangement of the tubes 13 of the hollow fiber structure 10. Of this way compression is possible with a compression force reduced, and the risk of damage caused by the compression in the hollow fiber structure 10. The structuring negative of at least one of the graphite sheets 14 can be make, for example, by means of a corresponding print with a compression structure corresponding to the structure of hollow fibers 10, or with a corresponding seal.
Es evidente que el procedimiento de fabricación presentado es adecuado para cualquier tipo de estructuras de fibras huecas 10, y además del grafito también es adecuado para otros cuerpos matriciales u hojas como cuerpos matriciales antes de la compresión, que tanto sean elásticas o bien deformables plásticamente como presenten una conductividad térmica suficientemente buena para intercambiadores de calor.It is obvious that the manufacturing process presented is suitable for any type of fiber structures hollow 10, and in addition to graphite it is also suitable for others matrix bodies or leaves as matrix bodies before the compression, both elastic or deformable plastically as they present a thermal conductivity Good enough for heat exchangers.
En particular, el intercambiador de calor microestructurado 5 conforme a la invención según el ejemplo de realización explicado no está limitado a un guiado de líquidos o de gases según la Figura 1.In particular, the heat exchanger microstructured 5 according to the invention according to the example of explained embodiment is not limited to a liquid or gases according to Figure 1.
La Figura 3 explica cómo se lleva a cabo con el cuerpo matricial 15 fabricado una refrigeración de un componente de refrigeración en forma de una placa de refrigeración 17. Para ello se presiona la placa de refrigeración 17 por medio de una presión de compresión adecuada con el cuerpo matricial 15, acoplándose la placa de refrigeración 17 térmicamente con el cuerpo matricial 15. El buen acoplamiento térmico se vuelve a producir en este caso por medio de la elasticidad y la conductividad térmica del grafito empleado. En lugar de la placa de refrigeración 17, por lo demás, también puede estar previsto un componente electrónico de potencia, como por ejemplo un transistor o un circuito integrado, cuyas conexiones eléctricas se encuentren entonces preferentemente sobre la superficie opuesta al cuerpo matricial 15. Adicionalmente, según la Figura 3, para la mejora del acoplamiento térmico entre el cuerpo matricial 15 y la placa de refrigeración 17 también puede estar previsto que sobre el cuerpo matricial 15 se aplique una capa hecha de una pasta conductora 16 térmica. El uso de este tipo de pastas conductoras, sin embargo, no es deseado en muchos casos, ya que por un lado presentan una menor conductividad térmica que el grafito, y por otro lado son múltiplemente viscosas, de manera que en las pruebas de estabilidad de larga duración normalmente tienden a fluir.Figure 3 explains how it is carried out with the matrix body 15 manufactured a refrigeration of a component of cooling in the form of a cooling plate 17. To do this the cooling plate 17 is pressed by means of a pressure of adequate compression with the matrix body 15, the plate being coupled cooling 17 thermally with the matrix body 15. The good thermal coupling occurs again in this case by means of the elasticity and thermal conductivity of the graphite used. In place of the cooling plate 17, otherwise, it can also be provided an electronic power component, as per example a transistor or an integrated circuit, whose connections electric are then preferably on the surface opposite the matrix body 15. Additionally, according to the Figure 3, for the improvement of the thermal coupling between the body matrix 15 and cooling plate 17 can also be provided that a layer made is applied to the matrix body 15 of a thermal conductive paste 16. The use of this type of pasta conductive, however, is not desired in many cases, because one side has a lower thermal conductivity than graphite, and on the other hand they are multiple viscous, so that in the Long-term stability tests usually tend to flow.
Para la alimentación del calor o la extracción del calor de los intercambiadores de calor microestructurados 5 es apropiado un gran número de conceptos. De este modo, se puede realizar una refrigeración, por ejemplo, por medio del empleo de líquidos o gases como aire, agua o un medio refrigerante. En este caso, el líquido es guiado, por ejemplo, a través de una bomba que está unida con la tubería de alimentación 12, o por ejemplo, el gas es guiado por medio de un ventilador que está unido con la tubería de alimentación 12 a través del intercambiador de calor microestructurado 5.For heat feed or extraction of heat of microstructured heat exchangers 5 is appropriate a large number of concepts. In this way, you can perform cooling, for example, by using liquids or gases such as air, water or a cooling medium. In this case, the liquid is guided, for example, through a pump that is connected to the supply line 12, or for example, the gas It is guided by a fan that is connected to the pipe supply 12 through the heat exchanger microstructured 5.
Adicionalmente, así mismo es posible llevar a cabo en el interior de un intercambiador de calor microestructurado 5; es decir, en el interior de la estructura de fibras huecas 10 integradas en el cuerpo matricial 15, una evaporación de un líquido, de manera que se lleve a cabo, por ejemplo, una refrigeración en el intercambiador de calor microestructurado 5 según el principio del tubo térmico.Additionally, it is also possible to take out inside a microstructured heat exchanger 5; that is, inside the hollow fiber structure 10 integrated in the matrix body 15, an evaporation of a liquid, so that, for example, cooling is carried out in the microstructured heat exchanger 5 according to the principle of thermal tube
En este caso no se precisa del empleo de una bomba, ya que la circulación del medio refrigerante se puede llevar a cabo íntegramente por medio de la gravedad, o por ejemplo por medio de fuerzas capilares en la estructura a modo de mecha, que está integrada, por ejemplo en la tubería de alimentación 12.In this case the use of a pump, since the circulation of the cooling medium can be carried carried out entirely by gravity, or for example by means of capillary forces in the structure as a wick, which It is integrated, for example, in the supply line 12.
Igualmente también es posible realizar el transporte de vuelta de un condensado que se origine por medio de un tubo térmico integrado ya en el intercambiador de calor microestructurado 5.It is also possible to perform the return transport of a condensate that originates by means of a thermal tube already integrated in the heat exchanger microstructured 5.
Claims (15)
10 mm, en particular entre 20 \mum y 200 \mum.9. Microstructured heat exchanger according to claim 6, 7 or 8, characterized in that the average distance of the tubes (13) from the hollow fiber structure (10) has a value between 5 µm and
10 mm, in particular between 20 µm and 200 µm.
- a)to)
- Preparación de una estructura de fibras huecas (10),Preparation of a fiber structure hollow (10),
- b)b)
- Preparación de al menos un primer cuerpo matricial (14) y al menos un segundo cuerpo matricial (14), de los que al menos uno se puede deformar de modo elástico y/o plástico, y es buen conductor del calor, yPreparation of at least one first matrix body (14) and at least a second matrix body (14), of which at least one can be elastically deformed and / or plastic, and is a good conductor of heat, and
- c)C)
- Compresión de la estructura de fibras huecas (10) y de los cuerpos parciales matriciales (14) para formar el intercambiador de calor microestructurado (5), deformándose los cuerpos parciales matriciales (14) para formar un cuerpo matricial (15) que rodea al menos parcialmente la estructura de fibras huecas (10).Compression of the fiber structure hollows (10) and partial matrix bodies (14) to form the microstructured heat exchanger (5), deforming the partial matrix bodies (14) to form a matrix body (15) that at least partially surrounds the hollow fiber structure (10)
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