DE10393618T5

DE10393618T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Erreichen von Temperaturgleichförmigkeit und zur Kühlung von Überhitzungspunkten in einer Wärmeerzeugungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10393618T5
Application number: DE10393618T
Authority: DE
Inventors: Kenneth Belmont Goodson; Thomas San Carlos Kenny; Peng Albany Zhou; Girish San Jose Upadhya; Mark Los Altos Munch; Mark Menlo Park McMaster; James Redwood City Hom
Original assignee: Cooligy Inc
Current assignee: Cooligy Inc
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2005-11-17
Also published as: AU2003286855A1; US7104312B2; AU2003286855A8; WO2004042306A3; TWI295726B; JP2006516068A; US20040112585A1; WO2004042306A2; TW200413685A

Abstract

Verfahren zum Steuern der Temperatur einer Wärmequelle in Kontakt mit einer Wärmeaustauschoberfläche eines Wärmeaustauschers, wobei die Wärmeaustauschoberfläche im Wesentlichen entlang einer Ebene ausgerichtet ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
a. steuerbares Kanalisieren einer wählbaren Menge eines Fluids mit einer ersten Temperatur zu einem oder zu mehreren vorgegebenen Orten auf der Wärmeaustauschoberfläche, wobei das Fluid mit einer ersten Temperatur entlang der Wärmeaustauschoberfläche einen Wärmeaustausch mit der Wärmequelle durchläuft; und
b. Kanalisieren eines Fluids mit einer zweiten Temperatur von der Wärmeaustauschoberfläche, wobei das Fluid so kanalisiert wird, dass Temperaturdifferenzen entlang der Wärmequelle minimiert werden.

Description

Verwandte Anmeldungen
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität gemäß 35 U.S.C. 119(e) der gleichzeitig anhängigen vorläufigen US-Patentanmeldung lfd. Nr.60/462.245, eingereicht am 11. April 2003, mit dem Titel "RING STIFFENER PROTECTOR AND REMOVEABLE SPREADER LID", die hiermit durch Literaturhinweis eingefügt ist. Außerdem beansprucht diese Patentanmeldung die Priorität gemäß 35 U.S.C. 119(e) der gleichzeitig anhängigen vorläufigen US-Patentanmeldung lfd. Nr. 60/423.009, eingereicht am 1. November 2002, mit dem Titel "METHODS FOR FLEXIBLE FLUID DELIVERY AND HOTSPOT COOLING BY MICROCHANNEL HEAT SINKS", die hiermit durch Literaturhinweis eingefügt ist. Außerdem beansprucht diese Patentanmeldung die Priorität gemäß 35 U.S.C. 119(e) der gleichzeitig anhängigen vorläufigen US-Patentanmeldung lfd. Nr.60/442.383, eingereicht am 24. Januar 2003, mit dem Titel "OPTIMIZED PLATE FIN HEAT EXCHANGER FOR CPU COOLING", die hiermit durch Literaturhinweis eingefügt ist. Außerdem beansprucht diese Anmeldung die Priorität gemäß 35 U.S.C. 119(e) der gleichzeitig anhängigen vorläufigen US-Patentanmeldung lfd. Nr. 60/455.729, eingereicht am 17. März 2003, mit dem Titel "MICROCHANNEL HEAT EXCHANGER APPARATUS WITH POROUS CONFIGURATION AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF", die hiermit durch Literaturhinweis eingefügt ist.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Kühlen einer Wärmeerzeugungsvorrichtung und insbesondere auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Verringern von Temperaturdifferenzen und zum Erreichen einer Kühlung von Überhitzungspunkten in einer Wärmequelle.
Hintergrund der Erfindung
Mikrokanalwärmesenken zeigen seit ihrer Einführung in den frühen 1980er Jahren viel Potenzial für Kühlanwendungen mit hohem Wärmefluss und werden in der Industrie verwendet. Allerdings enthalten vorhandene Mikrokanäle herkömmliche parallele Kanalanordnungen, die für die Kühlung von Wärmeerzeugungsvorrichtungen, die räumlich veränderliche Wärmelasten haben, nicht optimal geeignet sind. Solche Wärmeerzeugungsvorrichtungen besitzen Bereiche, die mehr Wärme pro Flächeneinheit als andere erzeugen. Diese heißeren Bereiche werden hierbei als "Überhitzungspunkte" bezeichnet, während diejenigen Bereiche der Wärmequelle, die nicht so viel Wärme erzeugen, hierbei als "Warmpunkte" bezeichnet werden. Im einfachsten Fall ist ein Überhitzungspunkt ein Bereich einer Wärmequelle, z. B. eines Mikroprozessors, der einen wesentlich höheren Wärmefluss als die anderen Bereiche der Wärmequelle besitzt. Außerdem kann ein sich wesentlich ändernder Wärmefluss über die Oberfläche der Wärmequelle Temperaturdifferenzen entlang der Wärmequellenoberfläche erzeugen, wobei mehrere Überhitzungspunkte gebildet werden.
1A veranschaulicht eine perspektivische Darstellung einer Wärmequelle 99 mit mehreren Überhitzungspunkten darin. Obgleich die Überhitzungspunkte einen höheren Wärmefluss als andere Bereiche in der Wärmequelle haben, besitzt ein Umfangsbereich in der Nähe des Überhitzungspunkts, wie in 1A gezeigt ist, wegen der Wärmeausbreitung durch das Wärmequellenmaterial in Bezug auf die Nichtüberhitzungspunktbereiche ebenfalls eine höhere Temperatur. Somit besitzt der in 1A mit Strichlinien gezeigte Bereich am Umfang der Überhitzungspunkte eine höhere Temperatur als die Bereiche außerhalb der Strichlinie. Somit werden der Überhitzungspunktbereich sowie der unmittelbar umgebende Bereich als der Überhitzungspunkt definiert und ein Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet genannt.
Alternativ besitzt die Wärmequelle 99 wie in 1B gezeigt keine Überhitzungspunkte. 1B veranschaulicht eine perspektivische Darstellung einer Wärmequelle 99 ohne Überhitzungspunkte darin zusammen mit einem ausgerichteten Graphen, der die Temperaturänderung in Abhängigkeit vom Abstand in der X- und in der Y-Richtung repräsentiert. Obgleich die Wärmequelle 99 in 1B keine Überhitzungspunkte besitzt, schreibt die Physik der Wärmeausbreitung in Materialien vor, dass die Mitte der Wärmequelle 99 einen höheren Wärmefluss als die umgebenden Bereiche und als die Ränder der Wärmequelle 99 besitzt. Dies ist in dem Graphen in 1B gezeigt. Wärmeaustauscher des Standes der Technik konzentrieren sich lediglich auf die Kühlung der Wärmequelle und dadurch nicht auf die Aspekte der Kühlung von Überhitzungspunkten oder der gesamten Temperaturgleichförmigkeit.
Es wird ein Fluidkühlkreislaufsystem mit einem Wärmeaustauscher benötigt, das verschiedene Konstruktionssteuerungen und Kühlverfahren nutzt, um in einer Wärmequelle Temperaturgleichförmigkeit zu erreichen. Es wird außerdem ein Fluidkühlkreislaufsystem mit einem Wärmeaustauscher benötigt, das verschiedene Konstruktions- und Steuerverfahren nutzt, um Überhitzungspunkte in einer Wärmequelle wirksam zu kühlen.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Aspekt der Erfindung ist auf ein Verfahren zum Steuern der Temperatur einer Wärmequelle in Kontakt mit einer Wärmeaustauschoberfläche eines Wärmeaustauschers gerichtet, wobei die Wärmeaustauschoberfläche im Wesentlichen entlang einer Ebene ausgerichtet ist. Das Verfahren umfasst das Kanalisieren eines Fluids mit einer ersten Temperatur zu der Wärmeaustauschoberfläche, wobei das Fluid mit einer ersten Temperatur entlang der Wärmeaustauschoberfläche einen Wärmeaustausch mit der Wärmequelle durchläuft. Das Verfahren umfasst das Kanalisieren eines Fluids mit einer zweiten Temperatur von der Wärmeaustauschoberfläche, wobei das Fluid so kanalisiert wird, dass Temperaturdifferenzen entlang der Wärmequelle minimiert werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist auf einen Wärmeaustauscher zum Steuern der Temperatur einer Wärmequelle gerichtet. Der Wärmeaustauscher umfasst eine erste Schicht, die in wesentlichem Kontakt mit der Wärmequelle ist. Die erste Schicht ist so konfiguriert, dass sie einen Wärmeaustausch mit dem in der ersten Schicht fließenden Fluid ausführt, wobei die erste Schicht entlang einer ersten Ebene ausgerichtet ist. Der Wärmeaustauscher umfasst eine zweite Schicht, die mit der ersten Schicht gekoppelt ist und Fluid zu und von der ersten Schicht kanalisiert. Der Wärmeaustauscher ist so konfiguriert, dass er Temperaturdifferenzen entlang der Wärmequelle minimiert.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist auf ein hermetisches Umlaufsystem gerichtet, das eine Temperatur einer Wärmequelle steuert. Das System umfasst wenigstens einen Wärmeaustauscher zum Steuern der Temperatur der Wärmequelle. Ferner umfasst der Wärmeaustauscher eine Zwischenschicht, die in wesentlichem Kontakt mit der Wärmequelle ist und so konfiguriert ist, dass Fluid entlang wenigstens eines Wärmeaustauschwegs kanalisiert wird, wobei die Zwischenschicht entlang einer ersten Ebene konfiguriert ist. Ferner umfasst der Wärmeaustauscher außerdem eine Verteilerschicht, die Einlassfluid entlang wenigstens eines Einlasswegs liefert und Auslassfluid entlang wenigstens eines Auslasswegs entfernt. Der Wärmeaustauscher ist so konfiguriert, dass er in der Wärmequelle wesentliche Temperaturgleichförmigkeit erreicht. Außerdem umfasst das System wenigstens eine Pumpe zum Umwälzen von Fluid durch den gesamten Kreislauf. Die wenigstens eine Pumpe ist mit dem wenigstens einen Wärmeaustauscher gekoppelt. Außerdem umfasst das System wenigstens einen Wärmeableiter, der mit der wenigstens einen Pumpe und mit dem wenigstens einen Wärmeaustauscher gekoppelt ist.
In einer Ausführungsform umfasst die zweite Schicht ferner mehrere Einlassfluidwege, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Ebene konfiguriert sind. Außerdem enthält die zweite Schicht mehrere Auslasswege, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Ebene konfiguriert sind, wobei die Einlasswege und die Auslasswege parallel zueinander angeordnet sind. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die zweite Schicht ferner mehrere Einlassfluidwege, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Ebene konfiguriert sind. Außerdem enthält die zweite Schicht mehrere Auslasswege, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Ebene konfiguriert sind, wobei die Einlasswege und die Auslasswege in nicht paralleler Beziehung zueinander angeordnet sind. In einer abermals weiteren Ausführungsform umfasst die zweite Schicht ferner eine erste Ebene, die wenigstens einen Anschluss besitzt, der so konfiguriert ist, dass er Fluid zu der ersten Ebene kanalisiert, und eine zweite Ebene, die wenigstens einen zweiten Anschluss besitzt. Die zweite Ebene ist so konfiguriert, dass sie Fluid von der ersten Ebene zu dem zweiten Anschluss kanalisiert, wobei das Fluid in der ersten Ebene getrennt von dem Fluid in der zweiten Ebene fließt.
In den obigen Ausführungsformen ist das Fluid in einem Einphasenfluss, in einem Zweiphasenfluss oder in einem Übergang zwischen einem Einphasenfluss und einem Zweiphasenfluss. Das Fluid wird entlang wenigstens eines Fluidwegs kanalisiert, der so konfiguriert ist, dass er auf das Fluid einen gewünschten Fluidwiderstand ausübt. Die Fluidwege enthalten eine Längendimension und eine hydraulische Dimension, wobei sich die hydraulische Dimension in Bezug auf die Flusslängendimension ändert. Die hydraulische Dimension ist in Reaktion auf einen oder mehrere Betriebzustände in dem Wärmeaustauscher einstellbar. Die vorliegende Erfindung enthält ein Mittel zum Abtasten wenigstens einer gewünschten Eigenschaft an einem vorgegebenen Ort entlang des Fluidwegs. Das Fluid wird zu einem ersten Umlaufweg entlang eines ersten gewünschten Gebiets der Wärmeaustauschoberfläche gelenkt. Außerdem wird das Fluid zu einem zweiten Umlaufweg entlang eines zweiten gewünschten Gebiets der Wärmeaustauschoberfläche gelenkt, wobei der erste Umlaufweg unabhängig von dem zweiten Umlaufweg fließt. Einer oder mehrere ausgewählte Bereiche in der Wärmeaustauschoberfläche sind so konfiguriert, dass sie eine gewünschte Wärmeleitfähigkeit besitzen, um den Wärmewiderstand zu steuern. Die Wärmeaustauschoberfläche ist so konfiguriert, dass sie darauf mehrere Wärmeübertragungsmerkmale enthält, wobei die Wärme zwischen dem Fluid und den mehreren Wärmeübertragungsmerkmalen übertragen wird. Ein Abschnitt der Wärmeaustauschoberfläche ist auf eine gewünschte Rauigkeit aufgeraut, um den Fluidwiderstand und/oder den Wärmewiderstand zu steuern. Wenigstens eines der Wärmeübertragungsmerkmale umfasst ferner eine Säulen-, eine Mikrokanal- und/oder eine Mikroporenstruktur. Die Wärmeaustauschoberfläche enthält eine gewünschte Anzahl pro Flächeneinheit angeordneter Wärmeübertragungsmerkmale, um den Fluidwiderstand für das Fluid zu steuern. In einer Ausführungsform wird der Fluidwiderstand durch die Wahl einer geeigneten Porengröße und eines geeigneten Porenvolumenanteils in einer Mikroporenstruktur optimiert. In einer weiteren Ausführungsform wird der Fluidwiderstand durch die Wahl einer geeigneten Anzahl von Säulen und eines geeigneten Säulenvolumenanteils in der Flächeneinheit optimiert. In einer weiteren Ausführungsform wird der Fluidwiderstand durch die Wahl eines geeigneten hydraulischen Durchmessers für wenigstens einen Mikrokanal optimiert. Das Wärmeübertragungsmerkmal besitzt eine Längendimension, die zum Steuern des Fluidwiderstands für das Fluid optimiert ist. Wenigstens eine Dimension wenigstens eines Abschnitts des Wärmeübertragungsmerkmals wird zum Steuern des Fluidwiderstands für das Fluid optimiert. Alternativ wird ein Abstand zwischen zwei oder mehr Wärmeübertragungsmerkmalen optimiert, um den Fluidwiderstand für das Fluid zu steuern. Alternativ wird auf wenigstens einen Abschnitt des wenigstens einen Wärmeübertragungsmerkmals in den mehreren Wärmeübertragungsmerkmalen eine Beschichtung aufgetragen, um den Wärmewiderstand und/oder den Fluidwiderstand zu steuern. Ein Oberflächeninhalt wenigstens eines Wärmeübertragungsmerkmals wird optimiert, um den Wärmewiderstand und den Fluidwiderstand für das Fluid zu steuern. Entlang des Durchflusswegs wird wenigstens ein Flusshemmelement konfiguriert, wobei das wenigstens eine Flusshemmelement einen Widerstand steuert. Außerdem wird ein Druck des Fluids an einem vorgegebenen Ort entlang des Fluidwegs in der Weise eingestellt, dass eine Momentantemperatur des Fluids gesteuert wird. Eine Fließgeschwindigkeit des Fluids an einem vorgegebenen Ort entlang des Fluidwegs wird ebenfalls so eingestellt, dass eine Momentantemperatur des Fluids gesteuert wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen nach Durchsicht der ausführlichen Beschreibung der im Folgenden dargelegten bevorzugten und alternativen Ausführungsformen hervor.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1A veranschaulicht eine perspektivische Darstellung einer Wärmequelle mit mehreren darin gekennzeichneten Überhitzungspunkten.
1B veranschaulicht einen Temperatur-Orts-Graphen einer typischen Wärmequelle mit gleichförmiger Erwärmung.
2A veranschaulicht ein schematisches Diagramm eines Umlaufkühlsystems, das einen Mikrokanal-Wärmeaustauscher der vorliegenden Erfindung enthält.
2B veranschaulicht ein schematisches Diagramm eines Umlaufkühlsystems, das einen Mikrokanal-Wärmeaustauscher mit mehreren Pumpen der vorliegenden Erfindung enthält.
3A veranschaulicht eine perspektivische Darstellung einer Zwischenschicht mit mehreren darauf angeordneten Mikrokanälen.
3B veranschaulicht eine perspektivische Darstellung der Zwischenschicht mit mehreren verschiedenen darauf angeordneten Wärmeübertragungsmerkmalen mit verschiedenen Dimensionen.
3C veranschaulicht eine perspektivische Darstellung der Zwischenschicht mit einer veränderlichen Dichte mehrerer darauf angeordneter Mikrosäulen.
3D veranschaulicht eine perspektivische Darstellung der Zwischenschicht mit mehreren darauf angeordneten Mikrosäulen und Rippen.
4A veranschaulicht eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform des mit einer Wärmequelle gekoppelten Wärmeaustauschers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
4B veranschaulicht eine Draufsicht der einen Ausführungsform des Wärmeaustauschers mit veränderlich bewegbaren Fingern, die mit einer Wärmequelle gekoppelt sind, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
5 veranschaulicht eine perspektivische Teilschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Wärmeaustauschers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
6 veranschaulicht eine Explosionsdarstellung der weiteren Ausführungsform des Wärmeaustauschers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
7A veranschaulicht eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Wärmeaustauschers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
7B veranschaulicht eine Draufsicht der einen Ausführungsform des Wärmeaustauschers mit veränderlich bewegbaren Fingern, die mit einer Wärmequelle gekoppelt sind, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
8A veranschaulicht ein schematisches Diagramm des Wärmewiderstands für den durch eine Pumpe zu dem Wärmeaustauscher der vorliegenden Erfindung umgewälzten Fluidfluss.
8B veranschaulicht ein schematisches Diagramm des Wärmewiderstands für den durch mehrere Pumpen zu dem Wärmeaustauscher der vorliegenden Erfindung umgewälzten Fluidfluss.
9 veranschaulicht eine perspektivische Darstellung von Mikrokanälen und Mikrosäulen mit einem Teilschnittmerkmal in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
10 veranschaulicht ein Druck-Fließgeschwindigkeits-Diagramm eines durch einen Wärmeaustauscher umgewälzten Fluids.
Ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung
Ein Umlaufkühlsystem gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet allgemein in Verbindung mit einem Wärmeaustauscher, um von einer Wärmequelle erzeugte Wärmeenergie dadurch zu erfassen, dass das Fluid durch ausgewählte Bereiche der Zwischenschicht in Kontakt mit der Wärmequelle geleitet wird. Insbesondere kann das Fluid in einem Ein- oder Zweiphasenfluss zu spezifischen Bereichen in der Zwischenschicht gelenkt werden, um Überhitzungspunkte zu kühlen und/oder Temperaturdifferenzen über die Wärmequelle zu verringern, während ein optimaler Druckabfall innerhalb des Wärmeaustauschers aufrechterhalten wird. Außerdem umfasst das Erreichen von Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle das Minimieren von Temperaturgradienten, die in jeder Wärmequelle automatisch auftreten. Außerdem umfasst das Erreichen von Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle das Minimieren von Temperaturgradienten in Abwesenheit von Überhitzungspunkten wie in 1B. Somit enthält das Erreichen von Temperaturgleichförmigkeit das Verringern von Temperaturdifferenzen zwischen den heißeren Bereichen, den wärmeren Bereichen und den kühleren Bereichen in der Wärmequelle. Wie im Folgenden erörtert wird, verwenden der Wärmeaustauscher sowie das Umlaufsystem der vorliegenden Erfindung verschiedene Konstruktionskonzepte und Steuerungsverfahren, um Temperaturgleichförmigkeit über die gesamte Wärmequelle zu erreichen.
Obgleich der Mikrokanal-Wärmeaustauscher der vorliegenden Erfindung in Bezug auf das Abkühlen von Überhitzungspunktorten in einer Vorrichtung beschrieben und erörtert wird, ist für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich, dass der Wärmeaustauscher alternativ zum Erwärmen eines Kaltpunktorts in einer Vorrichtung verwendet werden könnte, um Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle zu erreichen. Obgleich die vorliegende Erfindung vorzugsweise als ein Mikrokanal-Wärmeaustauscher beschrieben wird, wird außerdem angemerkt, dass die vorliegende Erfindung in anderen Anwendungen verwendet werden kann und nicht auf die vorliegende Erörterung beschränkt ist.
2A veranschaulicht ein schematisches Diagramm eines hermetisch abgedichteten Umlaufkühlsystems 30, das den Mikrokanal-Wärmeaustauscher 100 der vorliegenden Erfindung enthält. Außerdem veranschaulicht 2B ein schematisches Diagramm eines alternativen hermetisch abgedichteten Umlaufkühlsystems 30', das den Mikrokanal-Wärmeaustauscher 100' mit mehreren Anschlüssen 108, 109 enthält, die mit mehreren Pumpen 32' und einem Umleitventil 33' gekoppelt sind. Das Umleitventil 33' und die mehreren Pumpen 32' führen dem Wärmeaustauscher 100' mehr als einen Fluidstrom zu. Es wird angemerkt, dass das System 30, 30' alternativ zusätzliche Bauteile enthält, die in den Figuren nicht gezeigt sind, und nicht auf die gezeigte Konfiguration beschränkt ist.
Wie in 2A gezeigt ist, sind die Fluidanschlüsse 108, 109 mit Fluidleitungen 38 gekoppelt, die mit einer Pumpe 32 und mit einem Wärmekondensator 30 gekoppelt sind. Die Pumpe 32 pumpt Fluid innerhalb des geschlossenen Kreislaufs 30 und wälzt es darin um. In einer Ausführungsform tritt eine gleichförmige, konstante Menge Fluidfluss über die Fluidanschlüsse 108' bzw. 109' in den Wärmeaustauscher 100 ein bzw. verlässt ihn durch sie. Alternativ treten zu einer gegebenen Zeit veränderliche Mengen Fluidfluss durch die Einlass- und Auslassöffnung(en) 108, 109 des Wärmeaustauschers 100' ein und verlassen ihn durch sie. Alternativ fördern wie in 2B gezeigt zwei oder mehr Pumpen 32' über eines oder mehrere Ventile 33' Fluid zu mehreren bestimmten Einlassanschlüssen 108. Offensichtlich sind die in den 2A und 2B gezeigten Architekturen lediglich symbolisch. Es können irgendeine Anzahl von Pumpen und Fluidanschlüssen vorgesehen sein.
Wie in den 2A–2B gezeigt ist, sind mit dem Wärmeaustauscher 100 und/oder mit der Wärmequelle 99 einer oder mehrere Sensoren 130 gekoppelt, wobei die Sensoren 130 an ein dynamisches Abtast- und Steuermodul 34 Informationen über die Betriebsbedingungen in dem Wärmeaustauscher 100 liefern. Das Steuermodul 34 ist mit den Pumpen 32' und/oder mit dem Wärmeaustauscher 100' gekoppelt und steuert dynamisch in Reaktion auf von dem einen Sensor 130 oder von den mehreren Sensoren 130 empfangene Informationen hinsichtlich Änderungen der Wärme, der Orte der Überhitzungspunkte, der Fließgeschwindigkeiten, der Fluidtemperaturen, des Drucks des Fluids und des allgemeinen Betriebs des Systems 30 die Menge und die Fließgeschwindigkeit des in den Wärmeaustauscher 100' eintretenden und aus ihm austretenden Fluids. Zum Beispiel beginnt das Steuermodul 34 in Reaktion auf eine Zunahme der Wärmemenge am Ort eines Überhitzungspunkts den Betrieb beider Pumpen 32'. Es wird angemerkt, dass das Abtast- und Steuermodul 34 auf beide wie in den 2A–2B gezeigte Kühlsysteme anwendbar ist.
Um die Konstruktionskonzepte und die Verfahren der vorliegenden Erfindung besser zu verstehen, werden in dem Umlauffluidsystem 30, 30' alternativ mehrere Wärmeaustauscher genutzt, die so konfigurierbar sind, dass sie alle im Folgenden erörterten Aspekte der vorliegenden Erfindung enthalten. Die Besonderheiten und Einzelheiten jedes im Folgenden beschriebenen Wärmeaustauschers sind in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung lfd. Nr. Cool-01301, eingereicht am 6. Oktober 2003, mit dem Titel "METHOD AND APPARATUS FOR EFFICIENT VERTICAL FLUID DELIVERY FOR COOLING A HEAT PRODUCING DEVICE" gegeben, die hiermit durch Literaturhinweis eingefügt ist. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht nur auf die in lfd. Nr. Cool-01301 beschriebenen Wärmeaustauscher beschränkt ist, sondern auf irgendwelche anderen geeigneten verwendeten Wärmeaustauscher oder Wärmesenken anwendbar ist.
Vorzugsweise ist die Zwischenschicht 102 (3A und 4A) in Kontakt mit der Wärmequelle, wobei sie Wärmeaustauschfähigkeiten zur angemessenen Kühlung der Wärmequelle 99 schafft. Alternativ ist die Zwischenschicht 102 als ein gesamtes Bauteil einteilig innerhalb der Wärmequelle ausgebildet. Alternativ ist die Zwischenschicht 102 in einen (nicht gezeigten) Wärmeverteiler integriert, wobei der Wärmeverteiler entweder mit der Wärmequelle gekoppelt oder einteilig innerhalb der Wärmequelle ausgebildet ist. Die Zwischenschicht 102 des Wärmeaustauschers 100 ist so konfiguriert, dass sie ermöglicht, dass Fluid darüber fließt. Die Zwischenschicht 102 lässt die Wärmeübertragung von der Wärmequelle 99 zu dem Fluid durch Leitung sowie durch Konvektion zu. Die Zwischenschicht enthält irgendeine Anzahl ähnlicher oder verschiedener Wärmeübertragungsmerkmale, von denen einige im Folgenden beschrieben sind. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass die Wärmeübertragungsmerkmale nicht auf die im Folgenden erörterten Formen beschränkt sind und alternativ andere geeignete Formen und Konstruktionen enthalten.
3A veranschaulicht eine perspektivische Darstellung der Zwischenschicht 102 mit mehreren Mikrokanälen 110, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darauf angeordnet sind. Die Mikrokanäle 110 ermöglichen, dass das Fluid einen Wärmeaustausch entlang der gesamten Zwischenschicht 102 und/oder ausgewählter Orte von Überhitzungspunkten des Überhitzungspunktgebiets der Zwischenschicht durchläuft, um die Wärmequelle 99 abzukühlen. Die Mikrokanalwände 110 gehen vertikal von der unteren Oberfläche der Zwischenschicht aus und sind vorzugsweise wie in 3A gezeigt parallel konfiguriert. Alternativ sind die Mikrokanalwände 110 nicht parallel konfiguriert.
3B veranschaulicht eine perspektivische Darstellung der Zwischenschicht 302 mit mehreren verschiedenen Wärmeübertragungsmerkmalen, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung entlang der Zwischenschicht angeordnet sind. Die Zwischenschicht 102' enthält mehrere Mikrokanäle 109, wobei zwei der Mikrokanäle die gleiche Form haben, während ein Mikrokanal 111 einen Abschnitt besitzt, der sich höher als der andere Abschnitt erstreckt. Außerdem enthält die Zwischenschicht 102' mehrere Säulen 132, 134 mit verschiedenen Höhendimensionen, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darauf angeordnet sind. Wie in 3B gezeigt ist, erstrecken sich die Säulen 134 vertikal von der unteren Oberfläche der Zwischenschicht 302 in eine vorgegebene Höhe, potenziell in die gesamte Höhe der Zwischenschicht 102'. Die Säulen 132 erstrecken sich um einen kleineren Betrag als die Säulen 134 vertikal. Die Säulen 134 können irgendeine Form einschließlich, aber nicht beschränkt auf, quadratisch (3B), rautenförmig (nicht gezeigt), elliptisch (nicht gezeigt), sechseckig (nicht gezeigt), kreisförmig oder irgendeine andere Form haben. Alternativ ist auf der Zwischenschicht eine Kombination verschieden geformter Säulen angeordnet. Außerdem veranschaulicht 3B eine auf der unteren Oberfläche der Zwischenschicht 102' angeordnete Mikroporenstruktur 136.
Vorzugsweise besitzt der Wärmeaustauscher 100 der vorliegenden Erfindung eine größere Breite als die Wärmequelle 99. Falls der Wärmeaustauscher 100 größer als die Wärmequelle 99 ist, gibt es eine Überhangdimension. Die Überhangdimension ist der weiteste Abstand zwischen einer Außenwand der Wärmequelle 99 und der Fluidkanalinnenwand des Wärmeaustauschers 100. In der bevorzugten Ausführungsform liegt die Überhangdimension für ein Einphasenfluid im Bereich von einschließlich 0 bis einschließlich 5 Millimetern und für ein Zweiphasenfluid im Bereich von einschließlich 0 bis einschließlich 15 Millimetern. Außerdem besitzt die Zwischenschicht 102 der vorliegenden Erfindung für ein Einphasenfluid vorzugsweise eine Dickendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 0,3 bis einschließlich 0,7 Millimetern und für ein Zweiphasenfluid vorzugsweise eine Dickendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 0,3 bis einschließlich 1,0 Millimetern.
In der Ausführungsform des Wärmeaustauschers 100, die eine auf der Zwischenschicht 102 angeordnete Mikroporenstruktur 136 nutzt, besitzt die Mikroporenstruktur 136 für ein Einphasenfluid sowie für ein Zweiphasenfluid eine durchschnittliche Porengröße innerhalb des Bereichs von einschließlich 10 bis einschließlich 200 Mikrometern. Außerdem besitzt die Mikroporenstruktur 136 für ein Einphasenfluid sowie für ein Zweiphasenfluid eine Porosität innerhalb des Bereichs von einschließlich 50 bis einschließlich 80 Prozent. Die Höhe der Mikroporenstruktur 136 liegt für ein Einphasenfluid sowie für ein Zweiphasenfluid innerhalb des Bereichs von einschließlich 0,25 bis einschließlich 2,0 Millimetern.
In der Ausführungsform, die entlang der Zwischenschicht 102 die Säulen 132, 134 (im Folgenden als 132 bezeichnet) und/oder die Mikrokanäle 109, 111, 113 (im Folgenden als 109 bezeichnet) nutzt, besitzt die Zwischenschicht 102 der folgenden Erfindung für ein Einphasenfluid eine Dickenabmessung im Bereich von einschließlich 0,3 bis einschließlich 0,7 Millimetern und für ein Zweiphasenfluid im Bereich von einschließlich 0,3 bis einschließlich 1,0 Millimetern. Außerdem liegt die Fläche wenigstens einer Säule 132 für ein Einphasenfluid sowie für ein Zweiphasenfluid im Bereich von einschließlich (10 Mikrometer)² bis einschließlich (100 Mikrometer)². Außerdem liegt der Bereich des Trennungsabstands zwischen wenigstens zwei der Säulen 132 und/oder der Mikrokanäle 109 für ein Einphasenfluid sowie für ein Zweiphasenfluid im Bereich von einschließlich 10 bis einschließlich 150 Mikrometern. Die Breitendimension der Mikrokanäle 109 liegt für ein Einphasenfluid sowie für ein Zweiphasenfluid im Bereich von einschließlich 10 bis einschließlich 100 Mikrometern. Die Höhendimension der Mikrokanäle 109 und/oder der Säulen 132 liegt für ein Einphasenfluid im Bereich von einschließlich 50 bis einschließlich 800 Mikrometern und für ein Zweiphasenfluid im Bereich von einschließlich 50 Mikrometern bis einschließlich 2 Millimetern. Der Fachmann auf dem Gebiet erwartet, dass alternativ eine andere Dimension betrachtet wird.
Zum Beispiel enthält die Zwischenschicht 102'' wie in 3D gezeigt mehrere Mengen rechteckiger Rippen 136, die in Bezug aufeinander in ihrer jeweiligen Menge radial angeordnet sind. Außerdem enthält die Zwischenschicht 302 mehrere Säulen 134, die zwischen den Mengen rechteckiger Rippen 136 angeordnet sind. Offensichtlich kann die Zwischenschicht 102 einen Wärmeübertragungsmerkmalstyp oder alternativ irgendeine Kombination verschiedener Wärmeübertragungsmerkmale (z. B. Mikrokanäle, Säulen, Mikroporenstrukturen) enthalten.
Vorzugsweise besitzt die Zwischenschicht 102 eine hohe Wärmeleitfähigkeit, die die Temperaturdifferenzen zwischen der Wärmequelle 99 und dem entlang der Zwischenschicht 302 fließenden Fluid minimiert. Vorzugsweise ist die Zwischenschicht aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit von 100 W/m·K hergestellt. Vorzugsweise besitzen die Wärmeübertragungsmerkmale Wärmeleitfähigkeitseigenschaften von wenigstens 10 W/m·K. Allerdings ist für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich, dass die Zwischenschicht 102 und die Wärmeübertragungsmerkmale eine Wärmeleitfähigkeit von mehr oder weniger als den bevorzugten Betrag haben und nicht darauf beschränkt sind. Weitere Einzelheiten hinsichtlich der Zwischenschicht sowie der Wärmeübertragungsmerkmale sind in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung lfd. Nr. Cool-01301, eingereicht am 6. Oktober 2003, mit dem Titel "METHOD AND APPARATUS FOR EFFICIENT VERTICAL FLUID DELIVERY FOR COOLING A HEAT PRODUCING DEVICE" erörtert, die hiermit durch Literaturhinweis eingefügt ist.
Das Kühlsystem 30 (2A) und der Wärmeaustauscher 100 der vorliegenden Erfindung nutzen Verfahren und Konstruktionen, um räumlich und zeitlich in der Wärmequelle 99' Temperaturgleichförmigkeit und wirksame Kühlung von Überhitzungspunkten zu erreichen. 4A veranschaulicht eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform des Wärmeaustauschers 100 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Wie in 4A gezeigt ist, ist die obere Oberfläche der Verteilerschicht 106 im Teilschnitt gezeigt, um die Kanäle 116, 122 und die Finger 118, 120 innerhalb des Körpers der Verteilerschicht 106 zu zeigen. Wie oben angegeben wurde, werden die Orte in der Wärmequelle 99', die ebenfalls mehr Wärme als das Gebiet, das diesen Ort umgibt, erzeugen, hierbei als Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiete bezeichnet, wobei die Orte in der Wärmequelle 99', die weniger Wärme erzeugen, hierbei als Warmpunktgebiete bezeichnet werden. Wie in 4A gezeigt ist, besitzt die Wärmequelle 99' wie gezeigt an den Orten A und B Überhitzungspunktgebiete. Wie in 4A gezeigt ist, enthält die Zwischenschicht 102 das Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet A, das über dem Überhitzungspunktort A positioniert ist und das Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet B, das über dem Überhitzungspunktort B positioniert ist.
Wie in 4A gezeigt ist, tritt das Fluid anfangs durch einen Einlassanschluss 108 in den Wärmeaustauscher 100 ein, obgleich mehr als ein Einlassanschluss 108 betrachtet wird. Daraufhin fließt das Fluid zu einem Einlasskanal 116. Alternativ enthält der Wärmeaustauscher 100 mehr als einen Einlasskanal 116. Wie in den 4A und 4B gezeigt ist, verzweigt das Fluid, das entlang des Einlasskanals 116 von dem Einlassanschluss 108 fließt, anfangs in den Finger 118D. Außerdem fließt das Fluid, das entlang des Rests des Einlasskanals 116 weiter fließt, in die einzelnen Finger 118B und 118C usw. In dem Beispiel wird das Fluid dem Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet A dadurch zugeführt, dass es in den Finger 118A fließt, wodurch das Fluid durch den Finger 118A in der Z-Richtung nach unten in die Mittelschicht 104 fließt. Daraufhin fließt das Fluid durch eine Einlassleitung 105A in der Mittelschicht 104, die unter dem Finger 118A positioniert ist, in die Zwischenschicht 102. Vorzugsweise läuft das Fluid entlang der wie in 4B gezeigten Mikrokanäle 110, wobei es einen Wärmeaustausch mit der Wärmequelle 99' durchläuft. Daraufhin läuft die erwärmte Flüssigkeit durch die Leitung 105B in der Z-Richtung nach oben zu dem Auslassfinger 120A.
Ähnlich fließt das Fluid durch die Finger 118E und 118E in der Z-Richtung nach unten in die Mittelschicht 104. Daraufhin fließt das Fluid durch die Einlassleitung 105C in der Z-Richtung nach unten in die Zwischenschicht 102. Daraufhin läuft das erwärmte Fluid aus der Zwischenschicht 102 durch die Auslassleitung 105D in der Z-Richtung nach oben in die Auslassfinger 120E und 120F. Der Wärmeaustauscher 100 entfernt das erwärmte Fluid in der Verteilerschicht 106 über die Auslassfinger 120, wobei die Auslassfinger 120 mit dem Auslasskanal 122 in Verbindung stehen. Der Auslasskanal 122 ermöglicht, dass das Fluid durch einen oder mehrere Auslassanschlüsse 109 aus dem Wärmeaustauscher 100 herausfließt.
5 veranschaulicht eine gebrochene perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Wärmeaustauschers 200 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Wie in 5 gezeigt ist, ist der Wärmeaustauscher 200 je nach der Menge der entlang des Körpers der Wärmequelle 99'' erzeugten Wärme in getrennte Gebiete unterteilt. Die Teilgebiete sind durch eine vertikale Mittelschicht 204 und/oder Mikrokanalwandmerkmale 210 in der Zwischenschicht 202 getrennt. Alternativ sind die Gebiete in der Zwischenschicht 202, wie in 5 durch die Strichlinie gezeigt ist, durch vertikale Wände unterteilt, die sich zwischen der Zwischenschicht und der Mittelschicht 204 erstrecken. Allerdings ist für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich, dass die in 5 gezeigte Baueinheit nicht auf die gezeigte Konfiguration beschränkt ist und zu Beispielzwecken dient.
Die Wärmequelle 99'' besitzt einen Überhitzungspunkt am Ort A' und einen Warmpunkt am Ort B', wobei der Überhitzungspunkt am Ort A' mehr Wärme als der Warmpunkt am Ort B' erzeugt. Offensichtlich besitzt die Wärmequelle 99'' an irgendeinem Ort zu irgendeiner gegebenen Zeit alternativ mehr als einen Überhitzungspunkt und/oder Warmpunkt. Dementsprechend werden in dem Wärmeaustauscher 200 an das Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet A' mehr Fluid und/oder eine höhere Flüssigkeitsfließgeschwindigkeit geliefert, um den Ort A' angemessen zu kühlen. Obgleich gezeigt ist, dass das Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet B' größer als das Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet A' ist, können die Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiete A' und B' sowie irgendwelche weiteren Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiete in dem Wärmeaustauscher 200 offensichtlich irgendeine Größe und/oder Konfiguration in Bezug aufeinander besitzen. In einer Ausführungsform ist der Wärmeaustauscher 200 wie in 5 gezeigt mit zwei oder mehr Pumpen gekoppelt, wobei jede Pumpe 32' (2B) ihren eigenen Fluidkreislauf oder mehrere Fluidkreisläufe innerhalb des Wärmeaustauschers 200 liefert. Alternativ trägt jede Pumpe 32' (2B) zu einem Fluidkreislauf bei, was durch das Ventil 33' steuerbar ist. in einer alternativen Ausführungsform ist der Wärmeaustauscher 200 mit einer Pumpe 32 gekoppelt (2A).
Wie in 5 gezeigt ist, tritt das Fluid durch die Fluidanschlüsse 208A in den Wärmeaustauscher 200 ein, wobei es dadurch, dass es entlang der Mittelschicht 204A zu den Zuflussleitungen 205A fließt, zum Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet A gelenkt wird. Daraufhin fließt das Fluid in den Leitungen 205A in der Z-Richtung nach unten in das Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet A der Zwischenschicht 202. Das Fluid fließt zwischen den Mikrokanälen 210A, wobei die Wärme vom Ort A' durch Leitung durch die Zwischenschicht 202 auf das Fluid übertragen wird. Das erwärmte Fluid fließt entlang der Zwischenschicht 202 im Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet A' zum Austrittsanschluss 209A, wo das Fluid aus dem Wärmeaustauscher 200 austritt. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist offensichtlich, dass für ein besonderes Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet oder für eine besondere Menge von Grenzflächen-Überhitzungspunktgebieten irgendeine Anzahl von Einlassanschlüssen 208 und Austrittsanschlüssen 209 genutzt werden.
Ähnlich besitzt die Wärmequelle 99'' in 5 einen Warmpunkt am Ort B', der weniger Wärme als der Ort A' erzeugt. Das durch den Anschluss 208B eintretende Fluid wird zum Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet B' gelenkt, indem es entlang der Mittelschicht 204B zu den Zuflussleitungen 205B fließt. Daraufhin fließt das Fluid in den Zuflussleitungen 205B in der Z-Richtung nach unten in das Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet B der Zwischenschicht 202. Das Fluid fließt entlang der Mikrokanäle 210 und wird entlang dieser kanalisiert, wodurch die durch die Wärmequelle am Ort B' erzeugte Wärme auf das Fluid übertragen wird. Das erwärmte Fluid fließt entlang der gesamten Zwischenschicht 202B im Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet B' und nach oben, um aus den Anschlüssen 209B in der Z-Richtung über die Auslassleitungen 205B in der Mittelschicht 204 auszutreten. Daraufhin tritt das Fluid durch die Austrittsöffnungen 209B aus dem Wärmeaustauscher 200 aus.
In einer Ausführungsform ist der Wärmeaustauscher 200 wie in dem Umlaufsystem 30 (2A) gezeigt mit einer Pumpe 32 gekoppelt. In einer weiteren Ausführungsform ist der Wärmeaustauscher 200 mit mehr als einer Pumpe 32' gekoppelt, wobei eine Menge von Eingangsanschlüssen 208A und Ausgangsanschlüssen 209A mit einer Pumpe (der Pumpe 1) gekoppelt sind, während eine weitere Menge von Eingangsanschlüssen 208B und Ausgangsanschlüssen 209B mit einer weiteren Pumpe 32 (der Pumpe 2) gekoppelt sind. Alternativ kann das Ventil 33' (2B) eine andere Flussmenge zum Anschluss 208A und zum Anschluss 208B lenken.
In einer Ausführungsform ist der Wärmeaustauscher 200 so konstruiert, dass er einen gewünschten Bruchteil des Flusses getrennt hält, so dass sich das Fluid von einer Pumpe nicht mit Fluid von einer anderen Pumpe mischt. Somit gibt es dort mehr als einen unabhängigen Fluidkreislauf, der innerhalb des Wärmeaustauschers 200 umläuft. Insbesondere besitzt der Wärmeaustauscher 200 in 5 einen unabhängigen Fluidkreislauf, der eine Grenzfläche zum Überhitzungspunktgebiet A' besitzt, und einen weiteren unabhängigen Fluidkreislauf, der eine Grenzfläche zum Überhitzungspunktgebiet B' besitzt. Wie im Folgenden ausführlicher erörtert wird, werden die unabhängigen Kreisläufe in dem Wärmeaustauscher 200 verwendet, um Temperaturgleichförmigkeit zu erreichen und die Überhitzungspunkte in der Wärmequelle 99'' wirksam zu kühlen. Die unabhängigen Fluidkreisläufe können verwendet werden, um einem oder mehreren Grenzflächen-Überhitzungspunktgebieten sowie dem restlichen Abschnitt der Zwischenschicht eine gleich bleibende Fluidmenge zuzuführen.
6 veranschaulicht eine Explosionsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Ausführungsform des Wärmeaustauschers 300 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die in 6 gezeigte Verteilerschicht 306 enthält drei einzelne Ebenen. Insbesondere enthält die Verteilerschicht 306 eine Umlaufebene 304, eine Einlassebene 308 und eine Auslassebene 312. Alternativ wird die Umlaufebene 304 nicht genutzt, wobei die Zwischenschicht 302 direkt mit der Einlassebene 308 gekoppelt ist. Wie in 6 durch die Pfeile gezeigt ist, tritt durch den Einlassanschluss 315 in der Auslassebene 312 gekühltes Fluid in den Wärmeaustauscher 300 ein. Das gekühlte Fluid läuft in der Einlassöffnung 315 in die Einlassöffnung 314 in der Einlassebene 308 nach unten. Daraufhin fließt das Fluid in den Gang 320 und über die Auslassöffnungen 322 in der Umlaufebene 304 in der Z-Richtung nach unten in die Zwischenschicht 302. Allerdings mischt sich das gekühlte Fluid in dem Einlassgang 320 nicht mit irgendwelchem erhitztem Fluid, das aus dem Wärmeaustauscher 300 austritt, und gelangt nicht in Kontakt mit ihm. Das in die Zwischenschicht 302 eintretende Fluid durchläuft einen Wärmeaustausch mit dem festen Material und absorbiert die in der Wärmequelle 99 erzeugte Wärme. Die Einlassöffnungen 322 und die Auslassöffnungen 324 sind so angeordnet, dass das Fluid von jeder Einlassöffnung 322 den optimalen kürzesten Abstand entlang der Zwischenschicht 302 zu einer benachbarten Auslassöffnung 324 läuft. Der optimale Abstand zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung verringert den Druckabfall dazwischen, während er die Wärmequelle 99 wirksam kühlt. Daraufhin läuft das erwärmte Fluid von der Zwischenschicht 302 durch die Einlassebene 308 über die mehreren Auslassöffnungen 324 in der Z-Richtung nach oben in den Auslassgang 328 in der Auslassebene 312. Alternativ läuft das erwärmte Fluid von der Zwischenschicht 302 in der Z-Richtung direkt nach oben zu dem Auslassgang 328 in der Auslassebene 312. Wenn das erwärmte Fluid in den Auslassgang 328 in der Auslassebene 312 eintritt, fließt es zum Auslassanschluss 316 und tritt aus dem Wärmeaustauscher 300 aus. Während das erwärmte Fluid aus dem Wärmeaustauscher 300 austritt, mischt es sich nicht mit irgendwelchem gekühlten Fluid, das in die Verteilerschicht 306 eintritt, und gelangt nicht in Kontakt mit ihm. Offensichtlich ist der durch die Pfeile gezeigte Fluidfluss in 6 alternativ umgekehrt.
7A veranschaulicht eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Wärmeaustauschers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Verteilerschicht 406 in 7A enthält mehrere verflochtene oder ineinander greifende parallele Fluidfinger 411, 412, die ermöglichen, dass Einphasenfluid und/oder Zweiphasenfluid in der Zwischenschicht 402 umläuft, ohne zuzulassen, dass innerhalb des Wärmeaustauschers 400 und des Systems 30; 30' (2A–2B) ein wesentlicher Druckabfall auftritt. In einer Ausführungsform sind die Einlassfinger 411 in dem Wärmeaustauscher 400 abwechselnd mit den Auslassfingern 412 angeordnet.
Im allgemeinen Betrieb tritt das Fluid am Fluidanschluss 408 in die Verteilerschicht 406 ein und läuft durch den Durchlass 414 und zu den Fluidfingern oder -durchlässen 411. Das Fluid tritt in die Öffnung der Einlassfinger 411 ein und fließt wie durch die Pfeile gezeigt entlang der Finger 411 in der X-Richtung. Außerdem fließt das Fluid in der Z-Richtung nach unten in die Zwischenschicht 402. Wie in 7A gezeigt ist, bewegt sich das Fluid in der Zwischenschicht 402 entlang der unteren Oberfläche in der X- und in der Y-Richtung und führt mit der Wärmequelle 99 einen Wärmeaustausch aus. Das erwärmte Fluid tritt aus der Zwischenschicht 402 aus, indem es über die Auslassfinger 412 in der Z-Richtung nach oben fließt, wobei die Auslassfinger 412 das erwärmte Fluid in der X- und in der Y-Richtung zu dem Durchlass 418 in der Verteilerschicht 406 kanalisieren. Daraufhin fließt das Fluid entlang des Durchlasses 418, wobei es aus dem Wärmeaustauscher austritt, indem es durch den Anschluss 409 herausfließt.
Wie oben festgestellt wurde, können der geschlossene Fluidkreislauf 30, 30' (2A–2B) sowie der Wärmeaustauscher 100 so konfiguriert sein, dass sie Überhitzungspunkte in der Wärmequelle 99 kühlen und/oder in der Wärmequelle 99 eine gesamte Temperaturgleichförmigkeit erreichen. In einer Ausführungsform kühlt die vorliegende Erfindung die Überhitzungspunkte wirksam, indem sie an ein Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet eine höhere Fließgeschwindigkeit des Fluids und/oder kälteres Fluid anlegt. Dies wurde oben anfangs in Beziehung auf die in den 4–7A gezeigten Wärmeaustauscher 100, 200, 300, 400 beschrieben. Der Klarheit halber bezieht sich die folgende Erörterung bei der Bezugnahme auf alle oben erörterten Wärmeaustauscher allgemein auf den Wärmeaustauscher 100. Wenn eine besondere Erwähnung eines bestimmten Wärmeaustauschers erforderlich ist, wird aber das entsprechende Bezugszeichen dieses Wärmeaustauschers angegeben.
Ein Verfahren zum Erreichen von Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle 99 und einer wirksamen Kühlung von Überhitzungspunkten erfolgt durch Steuern des Strömungswiderstands und des Wärmewiderstands in dem Wärmeaustauscher 100. Alternativ erfolgt ein weiteres Verfahren zum Verringern von Temperaturdifferenzen und zum Erreichen einer wirksamen Kühlung von Überhitzungspunkten durch Konfigurieren des Wärmeaustauschers 100 in der Weise, dass er einen veränderlichen Strömungswiderstand entlang der Verteilerschicht 106, der Zwischenschicht 102 und/oder der Mittelschicht 104 besitzt. Alternativ erfolgt ein weiteres Verfahren der Verringerung von Temperaturschwankungen und des Erreichens von Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle 99 durch Nutzung mehrerer Pumpen oder durch Kanalisierung verschiedener Flussmengen von einer oder von mehreren Pumpen, um spezifische gewünschte Bereiche in der Zwischenschicht 102 unabhängig zu kühlen.
8A veranschaulicht ein Diagramm der Strömungs- oder Fluidwiderstände, die das Fluid beim Umlauf durch den Wärmeaustauscher potenziell erfährt. In dem in 4A gezeigten Beispiel besitzt der Wärmeaustauscher 100 ein in dem Diagramm im linken Zweig gezeigtes Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet und ein in dem Diagramm als der rechte Zweig gezeigtes Grenzflächen-Warmpunktgebiet. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist offensichtlich, dass die Erörterung des Widerstandsdiagramms in 8A alternativ auf irgendeinen anderen Wärmeaustauscher anwendbar ist und nicht auf den Wärmeaustauscher 100 in 4A beschränkt ist. Obgleich in 8A nur ein Überhitzungspunkt-Widerstandszweig und nur ein Warmpunkt-Widerstandszweig gezeigt sind, werden selbstverständlich irgendeine Anzahl von Überhitzungspunktzweigen und Zeigen mit kühleren Punkten betrachtet.
Wie in 8A gezeigt ist, tritt das Fluid durch den Einlass 500 ein und fließt durch die Verteilerschicht 106 (4A). Die Merkmale sowie die Konfiguration der Fluidwege in der Verteilerschicht 106 besitzen inhärent Strömungswiderstände, die als R_{HEISS_VERTEILER} 502 und als R_{WARM_VERTEILER} 504 bezeichnet sind. Mit anderen Worten, das Fluid erfährt in der Verteilerschicht 106 beim Fließen in der Zwischenschicht 102 die Widerstände R_{HEISS_VERTEILER} 502 und R_{WARM_VERTEILER} 504. Ähnlich fließt das Fluid durch die Mittelschicht 104 (4A), wobei die Merkmale und die Konfiguration der Fluidwege in der Mittelschicht 106 inhärent einen gewissen Strömungswiderstand haben, der als R_{HEISS_MITTEL} 506 und als R_{WARM_MITTEL} 508 bezeichnet ist. Somit erfährt das Fluid beim Fließen zur Zwischenschicht 102 die Widerstände R_{HEISS_MITTEL} 506 und R_{WARM_MITTEL} 508. Das Fluid fließt zu der und entlang der Zwischenschicht 102 (4A), wobei die Merkmale und die Konfiguration der Fluidwege in der Zwischenschicht 102 inhärent einen gewissen Widerstand haben, der als R_{HEISS_ZWISCHEN} 510 und als R_{WARM_ZWISCHEN} 512 bezeichnet ist, wobei das Fluid in der Zwischenschicht 102 die Widerstände R_{HEISS_ZWISCHEN} 510 und R_{WARM_ZWISCHEN} 512 erfährt. Daraufhin fließt das erwärmte Fluid durch die Mittelschicht 104 und durch die Verteilerschicht 106 nach oben, wobei das erwärmte Fluid in der Mittelschicht 104 bzw. in der Verteilerschicht 106 die Widerstände R_{HEISS_MITTEL} 514, R_{WARM_MITTEL} 516 und R_{HEISS_VERTEILER} 518 und R_{WARM_VERTEILER} 520 erfährt. Daraufhin fließt das erwärmte Fluid durch den Auslass 522 aus dem Wärmeaustauscher 100 heraus.
8B veranschaulicht ein Widerstandsdiagramm des Strömungswiderstands, den das Fluid beim Umlauf durch den Wärmeaustauscher potenziell erfährt. Obgleich in 8B lediglich ein Überhitzungspunktwiderstandszweig und ein Warmpunktwiderstandszweig gezeigt sind, werden selbstverständlich irgendeine Anzahl von Überhitzungspunktzweigen und Zweigen mit kühleren Punkten betrachtet. Obgleich die zwei Fluidpumpen mit dem Wärmeaustauscher 100 gekoppelt sind, ist das Widerstandsdiagramm in 8B konzeptionell das gleiche wie das in 8A gezeigte. Wie in 8B gezeigt ist, wälzt die Pumpe 1 das Fluid zu den Überhitzungspunkten um, wobei das zu und von dem Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet fließende Fluid den einzelnen Widerständen in dem Wärmeaustauscher ausgesetzt wird. Ähnlich wälzt die Pumpe 2 das Fluid zu den kühleren Gebieten (z. B. Warmpunkten) um, wobei das zu und von den kühleren Gebieten fließende Fluid den einzelnen Widerständen in dem Wärmeaustauscher ausgesetzt wird.
Anhand von 8A kann der Wärmeaustauscher 100 der vorliegenden Erfindung so konfiguriert werden, dass die Strömungswiderstände und die Wärmewiderstände unabhängig oder gemeinsam gesteuert werden, um Temperaturdifferenzen zu verringern und Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle 99 sowie eine wirksame Kühlung von Überhitzungspunkten zu erreichen. Zum Beispiel wird in dem System 30' (2B) mehr als eine Pumpe verwendet, wobei mehr und/oder kälteres Fluid zu dem Überhitzungspunktgebiet kanalisiert wird, während weniger und/oder wärmeres Fluid zu den Warmpunktgebieten kanalisiert wird. Somit wird der Wärmeaustauscher 100 so konfiguriert, dass er entlang des Überhitzungspunktzweigs einen niedrigeren Strömungswiderstand R_{HEISS_VERTEILER} 502, R_{HEISS_MITTEL} 506, R_{HEISS_ZWISCHEN} 510 hat, während der Wärmeaustauscher so konfiguriert wird, dass er in dem Warmpunktbereich einen höheren Widerstand R_{WARM_VERTEILER} 504, R_{WARM_MITTEL} 516 und R_{WARM_ZWISCHEN} 502 hat. Wie im Folgenden ausführlicher erörtert wird, ist außerdem der Wärmewiderstand steuerbar, um zu ermöglichen, dass das zu dem Überhitzungspunkt kanalisierte Fluid einen besseren Wärmeaustausch und eine bessere Wärmeabsorption als das zu dem kühleren Gebiet kanalisierte Fluid durchläuft.
Dies ist genauer in dem Wärmeaustauscher 200 in 5 sowie in dem Widerstandsdiagramm in 8B gezeigt, in dem eine Pumpe (die Pumpe 1) Fluid zum Grenzflächengebiet A umwälzt, während eine weitere Pumpe (die Pumpe 2) Fluid zum Grenzflächengebiet B umwälzt. Obgleich das Fluid von den mehreren Pumpen an irgendeinem Punkt in dem Wärmeaustauscher 200 gemischt werden kann, werden die zwei Fluidleitungen innerhalb des Wärmeaustauschers 200 alternativ voneinander getrennt gehalten. Somit werden in dem Wärmeaustauscher 200 mehrere unabhängige Kühlkreisläufe hergestellt, wodurch die Eigenschaften der Wärmequellenkühlung und des Fluidflusses steuerbar sind, um eine wirksame Kühlung zu erreichen und Temperaturschwankungen zu verringern.
Im Folgenden werden die Verfahren und Konstruktionen beim Steuern oder Ändern der Strömungswiderstände und der Wärmewiderstände ausführlicher erörtert. Es wird angemerkt, dass der Strömungswiderstand in irgendeiner der Schichten oder Ebenen in dem Wärmeaustauscher steuerbar ist und dass der Wärmewiderstand in der Zwischenschicht steuerbar ist. Außerdem ist für den Fachmann auf dem Gebiet klar, dass alternativ irgendeine Kombination der Konstruktionen und Verfahren in das System und in den Wärmeaustauscher integriert wird, um Temperaturdifferenzen zu verringern und Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle 99 zu erreichen.
Die einzelnen Merkmale und Konstruktionen in der Verteilerschicht 106 und in der Mittelschicht 104 können einzeln oder gemeinsam geändert werden, um den Strömungswiderstand in dem Wärmeaustauscher 100 zu steuern. Die Geometrien und die Querschnittsdimensionen der Finger 118, 120 und der Kanäle 116, 122 in der Verteilerschicht 106 werden so angepasst, dass sie einen spezifischen Strömungswiderstand liefern. Die Geometrien und die Querschnittsdimensionen der Leitungen 105 in der Mittelschicht 104 werden so angepasst, dass sie einen spezifischen gewünschten Strömungswiderstand liefern. Zum Beispiel hat ein besonderer Finger 118, 120 in der Verteilerschicht 106 entlang des Orts über dem Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet vorzugsweise eine größere Querschnittsdimension, während die Finger 118, 120 über dem Warmgrenzflächengebiet eine kleinere Querschnittsdimension haben. Diese Querschnittsflächenänderung verbessert die Kühlkapazität für Überhitzungspunkte. Wie in 4B gezeigt ist, ist die Breite oder die hydraulische Dimension der Kanäle 116, 122 entlang der Länge der Verteilerschicht 106 änderbar. In einer Ausführungsform sind die größeren hydraulischen Dimensionen der Kanäle 116, 122 über den Grenzflächen-Überhitzungspunktgebieten positioniert, während die schmaleren hydraulischen Dimensionen der Kanäle 116, 122 über den kühleren Gebieten positioniert sind. Somit kann zu einer gegebenen Zeit mehr Fluss über den Überhitzungspunkt als über den Warmpunkt gehen. In einer wie in den 4B und 7B gezeigten Ausführungsform haben die Kanäle und/oder die Finger feste oder veränderliche hydraulische Dimensionen, die dauerhaft in die Verteilerschicht 106 konstruiert sind. Wie im Folgenden ausführlicher erörtert wird, sind die veränderlichen Strömungskanäle und/oder -finger alternativ dynamisch einstellbar.
Die vertikalen Dimensionen der Finger 118, 120 und/oder der Kanäle 116, 122 sind alternativ veränderlich, um sie für die Kühlung von Überhitzungspunkten und für die Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle 99 auszulegen. Die Kanäle 116, 122 und/oder die Finger 118, 120 in der Verteilerschicht 106, die längere Seitenwände haben, ermöglichen, dass mehr Fluid direkt vertikal zu der Zwischenschicht 102 läuft. Im Gegensatz dazu ermöglichen die Finger in der Verteilerschicht 106, die keine vertikalen Wände besitzen, die sich zu der Zwischenschicht 102 nach unten erstrecken, dass mehr Fluid horizontal über die Zwischenschicht läuft, anstatt direkt die Zwischenschicht 102 zu treffen. Zum Beispiel hat ein Abschnitt eines Fingers 118, 120 über einem Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet längere Seitenwände als andere Abschnitte dieses besonderen Fingers 118, 120. Somit ermöglichen die längeren Seitenwände, dass Fluid direkter auf einen konzentrierten Bereich in dem Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet angewendet wird, während die kürzeren Seitenwände ermöglichen, dass das Fluid über einen größeren Bereich in der Zwischenschicht angewendet wird. Es wird angemerkt, dass die obige Erörterung der veränderlichen Dimensionen der Finger 118, 120 und der Kanäle 116, 122 ebenfalls die anderen erörterten Ausführungsformen betrifft und nicht auf die oben erörterte Ausführungsform beschränkt ist.
Außerdem ist der Wärmeaustauscher 100 alternativ so konstruiert, dass er den Strömungswiderstand R_ZWISCHEN in der Zwischenschicht 102 steuert, um ihn für Temperaturgleichförmigkeit und Kühlung von Überhitzungspunkten in der Wärmequelle 99 auszulegen. Vorzugsweise haben die Wärmeübertragungsmerkmale in der Zwischenschicht 102, die sich über Grenzflächen-Überhitzungspunktgebieten oder in der Nähe der Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiete befinden, einen niedrigeren Strömungswiderstand als die Wärmeübertragungsmerkmale in anderen Bereichen in der Zwischenschicht 102. Somit wird zu einer gegebenen Zeit mehr Fluid über das Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet als über die anderen Bereiche der Zwischenschicht durchgelassen, da in dem Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet weniger Strömungswiderstand vorhanden ist.
Der Strömungswiderstand in einer Fluidbahn in der Zwischenschicht 102 wird durch Optimieren der hydraulischen Dimensionen der Wärmeübertragungsmerkmale gesteuert. Zum Beispiel ist der hydraulische Durchmesser der Mikrokanäle 110 so konfigurierbar, dass die Fließgeschwindigkeit des Fluids entlang der Länge der Mikrokanäle 110 gesteuert wird. Somit besitzen einer oder mehrere Mikrokanäle in der Zwischenschicht 102 über den Grenzflächen-Überhitzungspunktgebieten einen größeren Durchmesser als die restlichen Abschnitte der Mikrokanäle 110. Somit ermöglichen die Mikrokanäle 110 mit größerem Durchmesser, dass mehr Fluid über die Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiete geht als die Mikrokanäle 100 mit kleinerem Durchmesser mit mehr Widerstand. Alternativ sind die Säulen 134 in der Weise voneinander beabstandet positioniert, dass der Betrag des Strömungswiderstands an das entlang der Zwischenschicht 102 fließende Fluid gesteuert wird. Somit kann jede der Säulen 134 in einem Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet weiter entfernt als die Säulen über einem Warmpunktgebiet positioniert sein, so dass zu einer gegebenen Zeit mehr Fluid über das Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet als über das Warmpunktgebiet fließen kann. Offensichtlich sollte die Dimension der hydraulischen Durchmesser angesichts der Größe des in der Zwischenschicht 102 erzeugten Druckabfalls und der Größe des durch die Wärmeübertragungsmerkmale gelieferten Oberflächeninhalts für die Leitung optimiert werden.
Alternativ kann der Strömungswiderstand in einer Fluidbahn entlang der Zwischenschicht 102 durch Optimieren der Länge der Fluidbahn geändert werden. Es ist allgemein bekannt, dass der Betrag des Strömungswiderstands zunimmt, während die Länge des Fluidwegs zunimmt. Somit kann die Länge des Fluidwegs optimiert werden, um den Strömungswiderstand entlang der Zwischenschicht 102 zu minimieren, während die Druckeigenschaften des Fluids aufrechterhalten werden. In einem Beispiel haben die in einem Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet befindlichen Mikrokanäle 110 im Vergleich zu den Mikrokanälen 110 in einem warmen Überhitzungspunktgebiet eine kleinere Kanallänge. Somit fließt Fluid, das über das Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet geht, über einen kürzeren Abstand entlang der Fluidwege des Mikrokanals 110, wobei es weniger Strömungswiderstand erfährt, bevor es aus der Zwischenschicht austritt, während die längeren Mikrokanäle 110 das Fluid eine längere Strecke zu gehen zwingen und veranlassen, dass sich das Fluid allmählich erwärmt, während es entlang der Zwischenschicht fließt. Obgleich die Länge des Fluidwegs für den Einphasenfluss optimiert ist, wird wie im Folgenden ausführlicher erörtert außerdem angemerkt, dass alternativ die Länge des Fluidwegs des Mikrokanals 110 verlängert wird, um einen Zweiphasenfluss herbeizuführen.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Wärmeaustauscher 100 so konfiguriert werden, dass die Wärmeleitfähigkeitseigenschaften in der Zwischenschicht 102 gesteuert werden, um sie für Temperaturgleichförmigkeit und für die Kühlung von Überhitzungspunkten in der Wärmequelle auszulegen. Insbesondere sind die oben erörterten Wärmeübertragungsmerkmale so konfiguriert, dass die Fähigkeit zur Übertragung von Wärme von den Wärmeübertragungsmerkmalen zu dem Fluid gesteuert wird. Somit können die Wärmeübertragungsmerkmale sowie die Zwischenschicht 102 selbst so konfiguriert werden, dass sie einen oder mehrere Orte in der Zwischenschicht 102 besitzen, die im Vergleich zu anderen Orten in der Zwischenschicht 102 eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzen.
Eine Anwendung der Steuerung der Wärmeleitfähigkeit in der Zwischenschicht 102 und/oder der Wärmeübertragungsmerkmale 110 ist das Bilden der Zwischenschicht 102 und/oder der Wärmeübertragungsmerkmale 110 aus geeigneten Materialien, die entsprechende Wärmeleitfähigkeitswerte haben. Wie in 1B gezeigt ist, erzeugt z. B. eine Wärmequelle 99, die keine Überhitzungspunkte besitzt, in der Mitte einen höheren Wärmefluss. Um in der in 1B gezeigten Wärmequelle 99 Temperaturgleichförmigkeit zu erreichen, sind die Zwischenschicht 102 und/oder die Wärmeübertragungsmerkmale so gebildet, dass in der Mitte der Zwischenschicht 102 eine höhere Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist. Außerdem nehmen die Wärmeleitfähigkeitseigenschaften der Zwischenschicht 102 und/oder der Wärmeübertragungsmerkmale 110 von der Mitte her allmählich ab, so dass die gesamte Wärmequelle 99 auf eine im Wesentlichen gleichförmige Temperatur gekühlt wird.
Alternativ werden die Wärmewiderstände in den Wärmeaustauschern 100 außerdem dadurch gesteuert, dass das Oberfläche/Volumen-Verhältnis der Wärmeübertragungsmerkmale in der Zwischenschicht 102 selektiv eingestellt wird. Durch Erhöhen des Oberfläche/Volumen-Verhältnisses der Merkmale oder der Zwischenschicht 102 selbst wird der Wärmewiderstand der Merkmale und/oder der Zwischenschicht 102 verringert. Ein Beispiel der Erhöhung des Oberfläche/Volumen-Verhältnisses innerhalb der Zwischenschicht 102 umfasst das Konfigurieren der Zwischenschicht 102 in der Weise, dass sie eine höhere Dichte von Wärmeübertragungsmerkmalen pro Flächeneinheit besitzt. Wie in 3B gezeigt ist, sind z. B. die Mikrokanäle 110 und 111 nahe beieinander positioniert, während sich die Mikrokanäle 113 in einem weiteren Abstand von den Mikrokanälen 110 und 111 entfernt befinden. Wegen des größeren Oberfläche/Volumen-Verhältnisses der Wärmeübertragungsmerkmale in der Zwischenschicht 102' liefern die Mikrokanäle 110 und 111 für das Fluid weniger Wärmewiderstand als die voneinander beabstandeten Mikrokanäle 113. In einer Anwendung, in der auf der Zwischenschicht 102' eine Mikroporenstruktur 136 (3B) angeordnet ist, wird der Wärmewiderstand der Mikroporenstruktur durch die Nutzung kleinerer Porengrößen verringert.
In einem weiteren in 3C gezeigten Beispiel besitzt die Wärmequelle 99 in jeder Ecke einen Überhitzungspunkt. Somit enthält die Zwischenschicht 102'' dementsprechend in jeder Ecke wie in 3C gezeigt ein Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet. Durch Verringern des Wärmewiderstands entlang der Außenecken der Zwischenschicht 102'' kann die Zwischenschicht 102'' so konfiguriert werden, dass Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle 99 erreicht wird. Wie in 3C gezeigt ist, besitzt die Zwischenschicht 102'' dadurch eine größere Anzahl von Säulen 134, die in der Nähe der Außenränder der unteren Oberfläche 101 positioniert sind, wobei in der Nähe der Mitte eine kleinere Dichte von Säulen 134 positioniert sind. Dadurch schafft die größere Dichte der Säulen 134 in den Außenecken der Zwischenschicht 102'' ein größeres Oberfläche/Volumen-Verhältnis und einen niedrigeren Wärmewiderstand. Es wird angemerkt, dass die in 3C gezeigte Konstruktion nur ein Beispiel ist und nicht auf die darin gezeigte Konstruktion beschränkt ist. Außerdem wird angemerkt, dass die Dimensionen und das Volumen der Säulen 134 in der Weise optimiert sind, dass der Fluidwiderstand entlang der Grenzfläche nicht größer als der Wärmewiderstand wird.
Ein weiteres Beispiel der Erhöhung des Oberfläche/Volumen-Verhältnisses innerhalb der Zwischenschicht 102 ist das Konstruieren der Wärmeübertragungsmerkmale 110 in dem Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet oder in dessen Nähe in der Weise, dass sie eine vertikale Dimension besitzen, die größer als die vertikale Dimension anderer Merkmale in den restlichen Bereichen der Zwischenschicht 102' ist. Wie in 3B gezeigt ist, besitzt die Wärmequelle 99 entlang der vorderen Hälfte des Körpers einen großen Überhitzungspunkt. Dementsprechend haben der Mikrokanal 111 und die Säulen 134 in der Nähe der vorderen Hälfte der Zwischenschicht 102' eine größere vertikale Höhe, um eine wirksame Kühlung der Wärmequelle 99 zu erreichen, während der Mikrokanal 111 und die Säulen 132 in der Nähe der hinteren Hälfte der Zwischenschicht 102' eine kleinere vertikale Höhe haben.
In Zweiphasenflussszenarien wird das Oberfläche/Volumen-Verhältnis der Wärmeübertragungsmerkmale alternativ dadurch erhöht, dass die Form des Merkmals geändert wird, so dass es einen größeren Oberflächeninhalt besitzt, mit dem das Fluid in Kontakt ist. Wie in 9 gezeigt ist, enthalten die Mikrokanäle 600 z. B. einen Längsschlitz 604, der sich in die Seite der Wände 600 erstreckt. Außerdem enthalten die Säulen 602 eine Kerbe 606, die aus dem Körper der Säule 602 herausgeschnitten ist. Die Schlitze 602 in den Mikrokanälen 600 schaffen einen zusätzlichen Oberflächeninhalt, mit dem das Fluid in Kontakt gelangen kann. Ähnlich schaffen die Kerben 606 in den Säulen 602 einen zusätzlichen Oberflächeninhalt, mit dem das Fluid in Kontakt gelangen kann. Der zusätzliche Oberflächeninhalt schafft mehr Platz, um Wärme an das Fluid zu übertragen, wodurch der Wärmewiderstand in der Zwischenschicht verringert wird. In einem Zweiphasenfluss verringert der zusätzliche Oberflächeninhalt von den Schlitzen 604 und von den Kerben 606 die Überhitzung und fördert ein stabiles Sieden des Fluids in der Umgebung der Überhitzungspunkte. Offensichtlich haben die Wärmeübertragungsmerkmale alternativ irgendeine andere Konfiguration, um einen erhöhten Oberflächeninhalt für das Fluid zu schaffen, wobei die an den Mikrokanälen 600 und an den Säulen 602 in 9 gezeigten Merkmale mit vergrößerter Oberfläche beispielhaft sind.
In Zweiphasenflussszenarien sind die Wärmeübertragungsmerkmale zusätzlich so konfigurierbar, dass die Oberflächen der Wärmeübertragungsmerkmale an Orten, wo mehr Wärmeübertragung erwünscht ist, in bestimmtem Grad aufgeraut sind. Eine aufgeraute Oberfläche erzeugt Taschen, in denen sich Blasen aus der Flüssigkeit bilden, wobei die Oberflächenspannung entlang der Oberfläche die Blasen an der aufgerauten Oberfläche hält. Zum Beispiel wird durch Ändern der Rauigkeit der Mikrokanalwände 110 die Oberflächenspannung entlang der Mikrokanalwände 110 geändert, wodurch die zum Initialisieren des Siedens der Flüssigkeit erforderliche Dampfdruckmenge erhöht oder erniedrigt wird. Eine Oberfläche, die im Wesentlichen rau ist, erfordert weniger Dampfdruck, um das Sieden zu initialisieren während eine im Wesentlichen glatte Oberfläche mehr Dampfdruck zum Initialisieren des Siedens erfordert. Wie im Folgenden ausführlicher erörtert wird, ist das Sieden in einem Zweiphasenflussszenarium an den Grenzflächen-Überhitzungspunktgebieten erwünscht, um eine wirksame Kühlung des Überhitzungspunkts zu erreichen. Somit können die Wärmeübertragungsmerkmale 110 sowie die Zwischenschicht 102 bewirken, dass eine aufgeraute Oberfläche eine wirksame Kühlung des Überhitzungspunkts erreicht.
Die gewünschte Oberfläche oder die gewünschten Oberflächen in der Zwischenschicht 102 werden unter Verwendung herkömmlicher Oberflächenänderungsverfahren aufgeraut. Alternativ werden die gewünschte Oberfläche oder die gewünschten Oberflächen in der Zwischenschicht 102 durch Auftragen einer Beschichtung auf die gewünschte Oberfläche aufgeraut. Die auf die Zwischenschicht 102 und/oder auf die Wärmeübertragungselemente 110 aufgetragene Oberflächenbeschichtung ändert die Oberflächenspannung der Oberfläche. Außerdem wird die Oberflächenbeschichtung alternativ in der Weise aufgetragen, dass der Kontaktwinkel geändert wird, unter dem das Zweiphasenfluid mit der Oberfläche in Kontakt gelangt. Vorzugsweise ist die Oberflächenbeschichtung das gleiche Material, das zum Ändern der Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht 102 und/oder der Wärmeübertragungsmerkmale aufgetragen wird, wodurch die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung wenigstens 10 W/m·K beträgt. Alternativ wird die Oberflächenbeschichtung aus einem anderen Material als die Zwischenschicht 102 hergestellt.
Außer durch Steuern der Kühlfähigkeit des Wärmeaustauschers 100 durch Ändern der Wärmewiderstände und der Strömungswiderstände erreicht der Wärmeaustauscher 100 Temperaturgleichförmigkeit und Kühlung von Überhitzungspunkten in der Wärmequelle 99 außerdem durch Ausnutzung der temperaturabhängigen Viskositätseigenschaften des Fluids. Wie im Gebiet bekannt ist, nimmt die Viskosität der meisten Fluide mit zunehmender Temperatur ab, wobei das Fluid dem Fließen weniger Widerstand entgegensetzt, während die Fluidtemperaturen zunehmen. Somit ziehen heißere Bereiche in der Zwischenschicht 102 wegen dieses verringerten Strömungswiderstands und dieser verringerten Viskosität natürlich mehr Fluid dorthin als kühlere Bereiche.
In einer Ausführungsform nutzt der Wärmeaustauscher 100 der vorliegenden Erfindung diese Eigenschaft des Fluids bei seiner Konstruktion. Insbesondere lenkt der Wärmeaustauscher das Fluid anfangs zu den Grenzflächen-Überhitzungspunktgebieten, in denen die Wärmeübertragung von den Überhitzungspunkten natürlich veranlasst, dass die Temperatur des Fluids steigt. Während die Temperatur des Fluids steigt, wird das Fluid selbst weniger viskos. Zum Beispiel ist der Wärmeaustauscher 100 so konfigurierbar, dass er anfangs Fluid zu heißeren Bereichen in der Zwischenschicht 102 kanalisiert, um die Fluidtemperatur zu erhöhen. Das erwärmte, weniger viskose Fluid wird daraufhin mit einer höheren Fließgeschwindigkeit zu den restlichen Bereichen der Zwischenschicht 102 kanalisiert. Obgleich das Fluid erwärmt wird, um seine Viskosität zu verringern, kann die Erwärmung des Fluids veranlassen, dass das Fluid siedet und als Dampf beschleunigt wird, wobei eine wesentliche Zunahme des Druckabfalls entlang der Zwischenschicht 102 veranlasst wird. In einer Ausführungsform kompensiert der Wärmeaustauscher 100 den potenziellen Druckabfall, indem der Fluss verengt wird und verhindert wird, dass das Fluid beschleunigt wird. Wie oben erörtert wurde, wird dies unter Verwendung einer Vielzahl von Verfahren wie etwa der Konstruktion der Fluidwege, so dass sie sehr schmale Poren, Kanäle und/oder Zwischenräume zwischen den Wärmeübertragungsmerkmalen haben, oder durch Nutzung mehrerer Pumpen ausgeführt. In einer wie im Folgenden erörterten weiteren Ausführungsform wird bewusst zugelassen, dass das Fluid ein Sieden durchläuft, um gewünschte Bereiche in der Zwischenschicht 102 weiter zu kühlen.
In einer weiteren Ausführungsform enthält der Wärmeaustauscher 100 der vorliegenden Erfindung einen inneren Ventilmechanismus, um Temperaturgleichförmigkeit zu erreichen und eine wirksamere Kühlung der Überhitzungspunkte in der Wärmequelle 99 auszuführen. Insbesondere steuert der innere Ventilmechanismus in dem Wärmeaustauscher 100 den Fluidfluss zu ausgewählten Gebieten in der Zwischenschicht 102. Der innere Ventilmechanismus in dem Wärmeaustauscher 100 steuert den Strömungswiderstand und den Wärmewiderstand entlang des Fluidwegs dynamisch, um gewünschte Kühlwirkungen in dem System 30, 30' (2A–2B) zu erreichen. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist offensichtlich, dass der innere Ventilmechanismus des Wärmeaustauschers 100 ermöglicht, dass das System 30, 30' die Fließgeschwindigkeit des Fluids sowie die Flussmenge in dem Wärmeaustauscher 100 steuert. Ferner wird der innere Ventilmechanismus alternativ genutzt, um die Phaseneigenschaften sowie irgendwelche druckabhängigen oder viskositätsabhängigen Eigenschaften des Fluids in dem Wärmeaustauscher 100 zu steuern.
Die 4B und 7B veranschaulichen alternative Ausführungsformen der Verteilerschicht 106', 406', in denen mehrere interne Ventile konfiguriert sind. Wie in 4B gezeigt ist, enthält die Verteilerschicht 106' entlang der Kanalwand 116' in der Nähe des Einlassanschlusses 108' ein dehnbares Ventil 124' sowie ein weiteres dehnbares Ventil 126', das sich entlang des Einlasskanals 116' um die Ecke erstreckt. Außerdem enthält die Verteilerschicht 106' ein dehnbares Ventil 128' in dem Auslassfinger. Die Ventile 124' und 128' sind in 4B gedehnt gezeigt, während das Ventil 126' zusammengezogen gezeigt ist. Wegen der verringerten Dimension des Fluidwegs, durch den das Fluid fließen kann, erfährt das Fluid in den Ventilen 124' und 128' einen höheren Strömungswiderstand. Außer dem Verengen des Flusses am Ort des Ventils 124' steuert das gedehnte Ventil 124' außerdem die Fließgeschwindigkeit sowie die Menge des Flusses, der in den restlichen Abschnitt des Einlasskanals 116' kanalisiert wird. Zum Beispiel erhöht sich die Menge des Fluids in der Öffnung 119', während das Ventil 124' zusammengezogen ist, da die Dimension des Fluidwegs in dem Ventil 124' erhöht ist. Das gedehnte Ventil 128' in dem Auslassfinger 120' steuert außerdem die Fließgeschwindigkeit sowie die Flussmenge, die in den restlichen Abschnitt des Auslassfingers 120' kanalisiert wird. Obgleich das Ventil 126' ebenfalls dehnbar ist, um den Strömungswiderstand für das Fluid zu erhöhen, erzeugt das wie in 4B gezeigte Ventil 126' einen kleineren Strömungswiderstand für das Fluid als das Ventil 124'.
Wie in 7B gezeigt ist, enthält die Verteilerschicht 406' die mit den Innenwänden der Einlassfinger 411' gekoppelten dehnbaren Ventile 424' und 428'. Außerdem enthält die Verteilerschicht 406' ein mit einer Seite in dem Auslassfinger 412' gekoppeltes dehnbares Ventil 426'. Obgleich die einigen Ventile in 4B und 7B vollständig gedehnt oder zusammengezogen gezeigt sind, dehnen sich Abschnitte des Ventils 424' alternativ unabhängig voneinander und/oder ziehen sich unabhängig voneinander zusammen. Wie in 7B gezeigt ist, ist z. B. eine Seite des Ventils 424' gedehnt, während die andere Seite des Ventils 424' zusammengezogen ist. Im Gegensatz dazu ist das gesamte Ventil 426' in 7B im Wesentlichen gedehnt, während das gesamte Ventil 428' zusammengezogen ist. Obgleich dies nicht gezeigt ist, sind die dehnbaren Ventile alternativ entlang jedes Kanals oder Fluidwegs in der Verteilerschicht angeordnet. Obgleich dies nicht gezeigt ist, sind alternativ eines oder mehrere dehnbare Ventile innerhalb der Öffnungen 322, 324 in dem Wärmeaustauscher 300 in 6 konfiguriert. Alternativ sind die dehnbaren Ventile in den Leitungen 105 in der Mittelschicht 104 konfiguriert. Alternativ sind die dehnbaren Ventile entlang der Zwischenschicht 102 konfiguriert. Außerdem kann das Ventil wie mit dem Ventil 428' in 7B gezeigt gleichförmig entlang der Wandoberfläche angeordnet sein. Alternativ kann das Ventil wie etwa mehrere Unebenheiten oder andere geformte Vorsprünge, die einzeln dehnbar und zusammenziehbar sind, ungleichförmig an der Wandoberfläche angeordnet sein. Die einzelnen vorsprungartigen Ventile sind alternativ verwendbar, um das Oberfläche/Volumen-Verhältnis in der Zwischenschicht 102 selektiv zu erhöhen. Obgleich dies nicht gezeigt ist, wird angemerkt, dass auf die in 6 gezeigte Ausführungsform ebenfalls feste oder veränderliche Ventile anwendbar sind.
In einer Ausführungsform ist das dehnbare Ventil eine Formgedächtnislegierung oder ein Element mit Wärmeausdehnungsdifferenz. In einer weiteren Ausführungsform ist das dehnbare Ventil ein herkömmliches Ventil oder ein MEMS-Ventil. Alternativ ist das dehnbare Ventil aus einem temperaturgesteuerten Bimaterial hergestellt, das die Temperaturdifferenz abtastet und sich in Reaktion auf die Temperaturdifferenz automatisch zusammenzieht oder dehnt. Alternativ ist das dehnbare Ventil aus einem thermopneumatischen Material hergestellt. Alternativ besitzt das Ventil eine Blasenkonfiguration, die dehnbares organisches Material mit einem hohen Ausdehnungskoeffizienten enthält. In einer weiteren Ausführungsform ist das dehnbare Ventil ein kapazitives Ventil, das sich aktiv zwischen einem zusammengezogenen und einem gedehnten Zustand wölbt, um die Fluidmenge in einen gewünschten Bereich zu liefern oder zu beschränken.
Wie oben festgestellt wurde, nutzt das Kühlsystem 30, 30' (2A–2B) die Sensoren 130 in dem Wärmeaustauscher 100, um die eine oder die mehreren Pumpen 32' (2B) und/oder die Ventile innerhalb oder außerhalb des Wärmeaustauschers 100 dynamisch zu steuern. Wie oben festgestellt wurde, besitzt die Wärmequelle 99 alternativ Eigenschaften, in denen sich die Orte eines oder mehrerer der Überhitzungspunkte wegen verschiedener Aufgaben, die durch die Wärmequelle 99 ausgeführt werden müssen, ändern. Außerdem besitzt die Wärmequelle 99 alternativ Eigenschaften, in denen sich der Wärmefluss des einen oder der mehreren Überhitzungspunkte wegen verschiedener Aufgaben, die durch die Wärmequelle 99 ausgeführt werden müssen, mit der Zeit ändert. Die Sensoren 130 liefern an das Steuermodul 34 Informationen einschließlich der, aber nicht beschränkt auf die, Fließgeschwindigkeit des in dem Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet fließenden Fluids, der Temperatur der Zwischenschicht 102 in dem Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet und/oder in der Wärmequelle 99 und der Temperatur des Fluids.
Um angesichts dieser räumlichen und zeitlichen Wärmeflussänderungen Temperaturgleichförmigkeit und wirksame Kühlung der Wärmequelle 99 zu erreichen, enthält das System 30, 30' ein Abtast- und Steuermodul 34, 34' (2A–2B), das die Flussmenge und/oder die Fließgeschwindigkeit des in dem Wärmeaustauscher 100 eintretenden Fluids in Reaktion auf von den Sensoren 130 gelieferte Informationen dynamisch ändert.
Die 2A und 2B veranschaulichen den Wärmeaustauscher 100 mit mehreren Sensoren 130, 130', die darin angeordnet sind, um die Bedingungen der Wärmequelle 99 abzutasten sowie weitere Informationen an das Steuermodul 34, 34' zu liefern. In einer Ausführungsform sind der eine oder die mehreren Sensoren 130 an irgendeinem gewünschten Ort in der Zwischenschicht 102 und/oder alternativ in der Wärmequelle 99 angeordnet. Wie in den 2A–2B gezeigt ist, sind die Sensoren 130, 130' und das Steuermodul 34, 34' ebenfalls mit der einen oder mit den mehreren Pumpen 32' (2A–2B) gekoppelt, wobei die durch die Sensoren 130 an das Steuermodul 34 gelieferten Informationen die Pumpe 32 aktiv steuern. Die mehreren Sensoren 130' sind mit dem Steuermodul 34' gekoppelt, wobei das Steuermodul 34' wie in den 2A–2B gezeigt vor dem Wärmeaustauscher 100 angeordnet ist. Alternativ ist das Steuermodul 34 an irgendeinem anderen Ort in dem Umlaufsystem 30 angeordnet. Zum Beispiel erhöht eine Pumpe 3', die mit einer niedrigen Leistung arbeitet, ihre Abgabe beim Empfang von Informationen, dass sich die Temperatur eines besonderen Gebiets in der Zwischenschicht 102 erhöht, wodurch veranlasst wird, dass in dieses besondere Gebiet mehr Fluid geliefert wird. Im Fall mehrerer Pumpen 32' (2B), die mit einem oder mit mehreren Ventilen innerhalb oder außerhalb des Wärmeaustauschers 100 gekoppelt sind, steuern die Sensoren 130' und das Steuermodul 38' alternativ über das eine oder die mehreren Ventile den Fluss des Fluids zu den gewünschten Grenzflächen-Überhitzungspunktgebieten. Zum Beispiel kann das in 7B gezeigte dehnbare Ventil 426' so konfiguriert sein, dass es sich in Reaktion auf von den Sensoren 130 gelieferte Informationen dehnt oder zusammenzieht.
Außer den obigen innerhalb des Systems der vorliegenden Erfindung verwendeten Konstruktionen und Verfahren verwendet der Wärmeaustauscher 100 alternativ druckabhängige Siedpunktbedingungen, um Temperaturgleichheit und wirksame Kühlung der Überhitzungspunkte in der Wärmequelle 99 zu erreichen. Je nach den Fließeigenschaften des Fluids in dem Wärmeaustauscher 100 ist es vorteilhaft, die Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiete Fluid in der flüssigen Einzelphase oder unter Zweiphasen-Siedebedingungen auszusetzen.
Für Einphasenfluide wie etwa Flüssigkeiten wird unter Verwendung der oben beschriebenen Konstruktionen vorzugsweise kälteres Fluid mit einer hohen Fließgeschwindigkeit an die Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiete geliefert. Für Zweiphasenfluide wie etwa ein Gemisch aus Dampf und Flüssigkeit ist ein Verfahren zur wirksamen Kühlung der Überhitzungspunkte zu veranlassen, dass das Fluid an dem Überhitzungspunkt siedet, um den Überhitzungspunkt wirksam zu kühlen. Es ist allgemein bekannt, dass die Temperatur und der Siedepunkt eines Zweiphasenfluids direkt proportional zum Druck des Fluids sind. Insbesondere steigen die Temperatur und der Siedepunkt des Fluids, während der Betrag des Drucks in dem Fluid steigt. Im Gegensatz dazu sinken die Temperatur und der Siedepunkt des Fluids, während der Betrag des Drucks in dem Fluid sinkt. Der Wärmeaustauscher 100 nutzt diese Druck/Temperatur-Erscheinung des Fluids unter einem Einphasenfluss oder Zweiphasenfluss, um die Überhitzungspunkte wirksam zu kühlen und Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle 99 zu erreichen.
Für den Einphasenfluss ist der Wärmeaustauscher 100 so konfiguriert, dass er Fluid mit verhältnismäßig niedrigem Druck und verhältnismäßig niedriger Temperatur zu einem oder zu mehreren gewünschten Grenzflächen-Überhitzungspunktgebieten kanalisiert, während der Wärmeaustauscher 100 gleichzeitig Fluid zu anderen Teilen der Zwischenschicht 102, die auf einem verhältnismäßig höheren Druck und auf einer verhältnismäßig höheren Temperatur ist, kanalisiert. Das Fluid mit niedrigerer Temperatur, das den Überhitzungspunkten ausgesetzt wird, kühlt die Überhitzungspunkte wirksam auf eine gewünschte Temperatur, während das Fluid mit höherer Temperatur die Warm- oder Kaltpunkte auf die gleiche gewünschte Temperatur kühlt. Tatsächlich erreicht der Einphasenfluss in der Wärmequelle 99 Temperaturgleichheit dadurch, dass er Fluid mit der angemessenen Temperatur zu den gewünschten Orten in der Zwischenschicht 102 lenkt, um die Orte wirksam auf eine gewünschte Temperatur zu kühlen.
Für den Zweiphasenfluss ist der Wärmeaustauscher 100 der vorliegenden Erfindung so konfiguriert, dass er das Fluid unter Verwendung der gleichen oben erörterten Druck-Temperatur-Erscheinung kanalisiert. Insbesondere führt der Wärmeaustauscher 100 der vorliegenden Erfindung den Grenzflächen-Überhitzungspunktgebieten Fluid mit niedrigerem Druck zu, um in den Grenzflächen-Überhitzungspunktgebieten absichtlich einen Druckabfall zu erzeugen. Es ist allgemein bekannt, dass das Sieden eines Zweiphasenfluids wegen einer wesentlichen Zunahme der Beschleunigung des Zweiphasenfluids einen erheblichen Druckabfall veranlasst. Wie oben hinsichtlich der Druck-Temperatur-Beziehung festgestellt wurde, veranlasst ein erheblicher Abfall des Fluiddrucks natürlich, dass die Temperatur auf eine dem verringerten Druck entsprechende Temperatur erheblich fällt. Dementsprechend ist der Wärmeaustauscher 100 so konfigurierbar, dass er Zweiphasenfluid, das bereits auf einem verhältnismäßig niedrigeren Druck ist, zu den Grenzflächen-Überhitzungspunktgebieten kanalisiert. Außerdem ist der Wärmeaustauscher 100 so konfigurierbar, dass er Fluid mit einem verhältnismäßig höheren Druck zu kühleren Bereichen der Zwischenschicht 102 kanalisiert. Wenn das Fluid mit niedrigerem Druck mit dem Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet in Kontakt gelangt, heizt es sich erheblich auf und beginnt bei einem viel niedrigeren Siedepunkt zu sieden, wodurch ein Druckabfall erzeugt wird. Im Ergebnis des Sinkens des Drucks sinkt die Temperatur des siedenden Zweiphasenfluids wirksam. Im Ergebnis wird das Zweiphasenfluid kühler und kann den Überhitzungspunkt wirksamer kühlen. Offensichtlich gilt die gleiche Theorie bei der Umkehrung von Zweiphasenfluid in Einphasenfluid, um Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle 99 zu erreichen.
In einer weiteren Ausführungsform erreicht der Wärmeaustauscher 100 der vorliegenden Erfindung Temperaturgleichförmigkeit entlang der gesamten Wärmequelle 99 unter Verwendung mehrerer Arbeitspunkte des Einphasenfluids und des Zweiphasenfluids. 10 veranschaulicht einen Graphen des Druckabfalls in Abhängigkeit von der Fließgeschwindigkeit des Fluids in einem typischen mit einem Mikroprozessorchip gekoppelten Wärmeaustauscher. Wie in 10 gezeigt ist, steigt der Druck des Fluids, das in dem Flüssigkeitsgebiet entlang der Zwischenschicht 102 fließt, mit der Fließgeschwindigkeit linear an. Während die Fließgeschwindigkeit des Fluids sinkt, durchläuft das Fluid aber einen Eintritt in das Siederegime und einen Zweiphasenfluss. Während die Fließgeschwindigkeit des Fluids in dem Siederegime sinkt, steigt der Druck des Fluids nichtlinear an. Außerdem steigt der Druck des Fluids bei erheblich niedrigeren Fließgeschwindigkeiten erheblich an, wobei das Fluid mit erheblich niedrigeren Fließgeschwindigkeiten zu trocknen beginnt.
Wie oben festgestellt wurde, ist der Druck des Fluids direkt proportional zu der Temperatur des Fluids. Wie in 10 gezeigt ist, besitzt der Druck des Fluids außerdem eine Beziehung zur Fließgeschwindigkeit des Fluids. Somit sind die Temperatur sowie der Siedepunkt des Fluids dadurch steuerbar, dass die Fließgeschwindigkeit und/oder der Druck des Fluids gesteuert werden.
Der Wärmeaustauscher 100 der vorliegenden Erfindung nutzt Mehrfluidbedingungen, um wirksam Temperaturgleichförmigkeit in der Wärmequelle 99 zu erreichen. Der Wärmeaustauscher 100 ist so konfigurierbar, dass er die Kühlwirkung des Fluids in jedem gewünschten Bereich durch Manipulieren der Fließgeschwindigkeit des Fluids und/oder des Drucks des Fluids in dem gewünschten Bereich unter Verwendung einer Pumpe 32 (2A) steuert. Alternativ steuert der Wärmeaustauscher 100 die Kühlwirkung des Fluids in jedem gewünschten Bereich dadurch, dass er die Fließgeschwindigkeit des Fluids und/oder den Druck des Fluids in dem gewünschten Bereich unter Verwendung mehrerer Pumpen 32' (2B) manipuliert.
Insbesondere steuert der Wärmeaustauscher 100 den Druck und/oder die Fließgeschwindigkeit des Fluids in gewünschten Fluidwegen, um in spezifischen Bereichen der Zwischenschicht 102 andere gewünschte Wirkungen zu erzeugen. In Bezug auf den Graphen in 10 durchläuft Fluid, das mit einer Fließgeschwindigkeit unter 30 ml/min fließt und einen Wärmeaustausch durchläuft, einen Zweiphasenfluss. Im Gegensatz dazu ist Fluid, das mit einer Fließgeschwindigkeit über 40 ml/min fließt, in dem Flüssigkeitsregime, wobei es in einer Phase bleibt. Zum Beispiel besitzt die Wärmequelle 99 unter Rückbezug auf 5 am Ort A ein Überhitzungspunktgebiet und am Ort B ein Warmpunktgebiet. In diesem besonderen Beispiel lässt der Wärmeaustauscher 200 nicht zu, dass Fluid, das in dem Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet A fließt, mit Fluid, das in dem Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet B fließt, in Kontakt gelangt. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass die mehreren Fluidwege nicht getrennt zu sein brauchen. Somit wird die Fließgeschwindigkeit des gesamten Fluids entlang des gesamten Fluidwegs innerhalb des Wärmeaustauschers 100 durch Ändern des Strömungswiderstands und des Wärmewiderstands in dem Wärmeaustauscher 100 wie gewünscht erhöht und verringert. Es wird angemerkt, dass die vorliegende Erörterung in Bezug auf den Wärmeaustauscher 200 beispielhaft ist und auf irgendeinen der erörterten Wärmeaustauscher sowie auf irgendeine Anzahl von Überhitzungspunkten/Warmpunkten in der Wärmequelle 99 anwendbar ist.
Wie oben in Bezug auf die Druck-Temperatur-Beziehung festgestellt wurde, sinkt die Temperatur eines Flusses, der einen Übergang zwischen einem Einphasenfluss und einem Zweiphasenfluss durchläuft, wegen des aus dem Sieden des Fluids erzeugten Druckabfalls. Dementsprechend kanalisiert der Wärmeaustauscher 200 das Zweiphasenfluid zu dem Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet A und gleichzeitig das Einphasenfluid zum Grenzflächen-Warmpunktgebiet B, um die gesamte Wärmequelle 99 auf gleichförmige Temperatur zu bringen. Der Wärmeaustauscher 200 kann diese Wirkung in der vorliegenden Erfindung dadurch erzielen, dass er mit Druck beaufschlagtes Fluid mit einer niedrigeren Fließgeschwindigkeit zum Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet A kanalisiert, während er Fluid mit dem gleichen Druck mit einer höheren Fließgeschwindigkeit zum Grenzflächen-Warmpunktgebiet B kanalisiert. Im vorliegenden Beispiel kanalisiert der Wärmeaustauscher 200 Fluid mit 1 psi mit einer Fließgeschwindigkeit von 20 ml/min zu dem Grenzflächen-Überhitzungspunktgebiet A, wobei das Fluid Zweiphaseneigenschaften besitzt. Gleichzeitig kanalisiert der Wärmeaustauscher 200 Fluid mit 1 psi mit einer Fließgeschwindigkeit von 40 ml/min zum Grenzflächen-Warmpunktgebiet B, wobei das Fluid Einphaseneigenschaften besitzt.
Die Fließgeschwindigkeit des Fluids wird unter Verwendung irgendwelcher der oben in Bezug auf den Strömungswiderstand erörterten Konstruktionen und Verfahren gesteuert. Zum Beispiel unterstützen die Wärmeübertragungsmerkmale in der Zwischenschicht 102 verschiedene Fließgeschwindigkeiten durch Steuern des Fluidflusses entlang der Zwischenschicht 102. Alternativ werden außerdem die Konfigurationen in den Fingern, Kanälen und/oder Öffnungen optimiert, um die Fließgeschwindigkeit des Fluids zu steuern. Alternativ wird der Wärmeaustauscher 100 so konfiguriert, dass er unter Verwendung irgendwelcher der oben hinsichtlich der Steuerung des Wärmewiderstands an den Fluidfluss erörterten Verfahren und Konstruktionen eine wirksamere Wärmeübertragung zu dem Fluid erzeugt. Alternativ wird der Wärmeaustauscher 100 mit mehr als einer Pumpe gekoppelt, wobei die mehreren Pumpen 32' unabhängige Fluidkreisläufe, die verschiedene Betriebsbedingungen haben, in dem Wärmeaustauscher 100 umwälzen. Außerdem wird angemerkt, dass die gleichen Erscheinungen für den Wärmeaustauscher 100 gelten, der die Fließgeschwindigkeit des Fluids konstant hält, während der Druck der gewünschten Fluidwege geändert oder gesteuert wird, um die gleichen Wirkungen zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung wurde hinsichtlich spezifischer Ausführungsformen beschrieben, die Einzelheiten enthalten, die das Verständnis der Prinzipien der Konstruktion und des Betriebs der Erfindung erleichtern. Diese Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen und deren Einzelheiten soll hier den Umfang der beigefügten Ansprüche nicht einschränken. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass an der zur Erläuterung gewählten Ausführungsform Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Erfindungsgedanken und von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassung
Verfahren zum Steuern der Temperatur einer Wärmequelle in Kontakt mit einer Wärmeaustauschoberfläche eines Wärmeaustauschers, wobei die Wärmeaustauschoberfläche im Wesentlichen entlang einer Ebene angeordnet ist. Das Verfahren umfasst das Kanalisieren eines Fluids mit einer ersten Temperatur zu der Wärmeaustauschoberfläche, wobei das Fluid mit einer ersten Temperatur entlang der Wärmeaustauschoberfläche einen Wärmeaustausch mit der Wärmequelle durchläuft. Das Verfahren umfasst das Kanalisieren eines Fluids mit einer zweiten Temperatur von der Wärmeaustauschoberfläche, wobei das Fluid so kanalisiert wird, dass Temperaturdifferenzen entlang der Wärmequelle minimiert werden. Die Temperaturdifferenzen werden durch Optimieren und Steuern der Fluidwiderstände und der Wärmewiderstände in dem Wärmeaustauscher minimiert. Die Widerstände für das Fluid werden durch die Größe, das Volumen und den Oberflächeninhalt der Wärmeübertragungsmerkmale, mehrere Pumpen, feste und veränderliche Ventile und Flusshemmelemente in dem Fluidweg, Druck- und Fließgeschwindigkeitssteuerung des Fluids und weitere Faktoren beeinflusst.

Claims

Verfahren zum Steuern der Temperatur einer Wärmequelle in Kontakt mit einer Wärmeaustauschoberfläche eines Wärmeaustauschers, wobei die Wärmeaustauschoberfläche im Wesentlichen entlang einer Ebene ausgerichtet ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: a. steuerbares Kanalisieren einer wählbaren Menge eines Fluids mit einer ersten Temperatur zu einem oder zu mehreren vorgegebenen Orten auf der Wärmeaustauschoberfläche, wobei das Fluid mit einer ersten Temperatur entlang der Wärmeaustauschoberfläche einen Wärmeaustausch mit der Wärmequelle durchläuft; und b. Kanalisieren eines Fluids mit einer zweiten Temperatur von der Wärmeaustauschoberfläche, wobei das Fluid so kanalisiert wird, dass Temperaturdifferenzen entlang der Wärmequelle minimiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Fluid in Einphasenfließbedingungen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Fluid in Zweiphasenfließbedingungen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem wenigstens ein Abschnitt des Fluids in dem Wärmeaustauscher einen Übergang zwischen Einphasenfließbedingungen und Zweiphasenfließbedingungen durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Fluid mit einer ersten Temperatur und das Fluid mit einer zweiten Temperatur im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene kanalisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Kanalisieren des Fluids entlang wenigstens eines Fluidwegs umfasst, der so konfiguriert ist, dass auf das Fluid ein gewünschter Fluidwiderstand ausgeübt wird, um das Fluid mit einer gewünschten Temperatur zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Fluid entlang eines oder mehrerer Fluidwege kanalisiert wird, wobei jeder Fluidweg eine Flusslängendimension und eine hydraulische Dimension enthält.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem sich die hydraulische Dimension des Fluidwegs in Bezug auf die Flusslängendimension ändert.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner das Konfigurieren der hydraulischen Dimension in der Weise umfasst, dass sie in Reaktion auf eine oder mehrere Betriebsbedingungen in dem Wärmeaustauscher einstellbar ist, wobei die einstellbare hydraulische Dimension so konfiguriert wird, dass sie den Fluidwiderstand steuert.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner das Koppeln von Mitteln zum Abtasten wenigstens einer gewünschten Eigenschaft an einem vorgegebenen Ort entlang des Fluidwegs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: a. Lenken eines ersten Anteils des Fluids zu einem ersten Umlaufweg entlang eines ersten gewünschten Gebiets der Wärmeaustauschoberfläche; und b. Lenken eines zweiten Anteils des Fluids zu einem zweiten Umlaufweg entlang eines zweiten gewünschten Gebiets der Wärmeaustauschoberfläche, wobei der erste Umlaufweg unabhängig von dem zweiten Umlaufweg fließt, um Temperaturdifferenzen in der Wärmequelle zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner das Konfigurieren eines oder mehrerer ausgewählter Bereiche in der Wärmeaustauschoberfläche in der Weise umfasst, dass sie eine gewünschte Wärmeleitfähigkeit haben, um einen lokalen Wärmewiderstand zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner das Konfigurieren der Wärmeaustauschoberfläche in der Weise umfasst, dass sie darauf mehrere Wärmeübertragungsmerkmale enthält, wobei zwischen dem Fluid und den mehreren Wärmeübertragungsmerkmalen Wärme übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner das Aufrauen wenigstens eines Abschnitts der Wärmeaustauschoberfläche auf eine gewünschte Rauigkeit umfasst, um den Fluidwiderstand und/oder den Wärmewiderstand zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem wenigstens eines der Wärmeübertragungsmerkmale ferner eine Säule umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das wenigstens eine Wärmeübertragungsmerkmal ferner einen Mikrokanal umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das wenigstens eine Wärmeübertragungsmerkmal ferner eine Mikroporenstruktur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die wenigstens eine Säule eine Flächendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich (10 Mikrometer)² bis einschließlich (100 Mikrometer)² besitzt.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die wenigstens eine Säule eine Höhendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 50 Mikrometern bis einschließlich 2 Millimetern besitzt.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem wenigstens zwei Säulen durch eine Abstandsdimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 10 bis einschließlich 150 Mikrometern voneinander getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der wenigstens eine Mikrokanal eine Flächendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich (10 Mikrometer)² bis einschließlich (100 Mikrometer)² besitzt.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der wenigstens eine Mikrokanal eine Höhendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 50 Mikrometern bis einschließlich 2 Millimetern besitzt.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem wenigstens zwei Mikrokanäle durch eine Abstandsdimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 10 bis einschließlich 150 Mikrometern voneinander getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der wenigstens eine Mikrokanal eine Breitendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 10 bis einschließlich 150 Mikrometern besitzt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Mikroporenstruktur eine Porosität innerhalb des Bereichs von einschließlich 50 bis einschließlich 80 Prozent besitzt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Mikroporenstruktur eine durchschnittliche Porengröße innerhalb des Bereichs von einschließlich 10 bis einschließlich 200 Mikrometern besitzt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Mikroporenstruktur eine Höhendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 0,25 bis einschließlich 2,00 Millimetern besitzt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem eine gewünschte Anzahl von Wärmeübertragungsmerkmalen pro Flächeneinheit angeordnet werden, um einen Widerstand für das Fluid zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem der Fluidwiderstand durch Wählen einer geeigneten Porengröße und eines geeigneten Porenvolumenanteils in einer Mikroporenstruktur optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem der Fluidwiderstand durch Wählen einer geeigneten Anzahl von Säulen und eines geeigneten Säulenvolumenanteils in der Flächeneinheit optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem der Fluidwiderstand durch Wählen eines geeigneten hydraulischen Durchmessers für wenigstens einen Mikrokanal optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Fluidwiderstand durch Wählen einer geeigneten Porosität der Mikroporenstruktur optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Fluidwiderstand durch Wählen einer geeigneten Abstandsdimension zwischen wenigstens zwei Säulen optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner das Optimieren einer Längendimension des Wärmeübertragungsmerkmals zum Steuern des Fluidwiderstands für das Fluid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner das Optimieren wenigstens einer Dimension wenigstens eines Abschnitts des Wärmeübertragungsmerkmals zum Steuern des Fluidwiderstands für das Fluid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner das Optimieren eines Abstands zwischen zwei oder mehr Wärmeübertragungsmerkmalen zum Steuern des Fluidwiderstands für das Fluid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner das Auftragen einer Beschichtung auf wenigstens einen Abschnitt wenigstens eines Wärmeübertragungsmerkmals in den mehreren Wärmeübertragungsmerkmalen umfasst, um den Wärmewiderstand und/oder den Fluidwiderstand zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner das Optimieren eines Oberflächeninhalts wenigstens eines Wärmeübertragungsmerkmals zum Steuern des Fluidwiderstands für das Fluid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner das Konfigurieren wenigstens eines Flusshemmelements entlang des Fluidwegs umfasst, wobei das wenigstens eine Flusshemmelement einen Widerstand steuert.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner das Einstellen eines Drucks des Fluids an einem vorgegebenen Ort entlang des Fluidwegs umfasst, um eine Momentantemperatur des Fluids zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner das Einstellen einer Fließgeschwindigkeit des Fluids an einem vorgegebenen Ort entlang des Durchflusswegs umfasst, um eine Momentantemperatur des Fluids zu steuern.
Wärmeaustauscher zum Steuern einer Wärmequellentemperatur, der umfasst: a. eine erste Schicht, die in wesentlichem Kontakt mit der Wärmequelle ist und so konfiguriert ist, dass sie einen Wärmeaustausch mit in der ersten Schicht fließendem Fluid ausführt, wobei die erste Schicht entlang einer ersten Ebene ausgerichtet ist; b. eine zweite Schicht, die mit der ersten Schicht gekoppelt ist, um wählbare Fluidmengen zu einem oder zu mehreren vorgegebenen Orten innerhalb der ersten Schicht steuerbar zu kanalisieren und um Fluid von der ersten Schicht zu kanalisieren, wobei der eine oder die mehreren vorgegebenen Orte innerhalb der ersten Schicht einem oder mehreren vorgegebenen Orten an der Wärmequelle entsprechen, wobei der Wärmeaustauscher ferner so konfiguriert ist, dass Temperaturdifferenzen entlang der Wärmequelle minimiert werden.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 42, bei dem die zweite Schicht ferner umfasst: a. mehrere Einlassfluidwege, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Ebene konfiguriert sind; und b. mehrere Auslasswege, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Ebene konfiguriert sind, wobei die Einlasswege und die Auslasswege parallel zueinander angeordnet sind.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 42, bei dem die zweite Schicht ferner umfasst: a. mehrere Einlassfluidwege, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Ebene konfiguriert sind; und b. mehrere Auslasswege, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Ebene konfiguriert sind, wobei die Einlasswege und die Auslasswege in nicht paralleler Beziehung zueinander angeordnet sind.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 42, bei dem die zweite Schicht ferner umfasst: a. eine erste Ebene mit wenigstens einem ersten Anschluss, der so konfiguriert ist, dass er Fluid zu der erste Ebene kanalisiert; und b. eine zweite Ebene mit wenigstens einem zweiten Anschluss, wobei die zweite Ebene so konfiguriert ist, dass sie Fluid von der ersten Ebene zu dem zweiten Anschluss kanalisiert, wobei das Fluid in der ersten Ebene getrennt von dem Fluid zu der zweiten Ebene fließt.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 42, bei dem das Fluid in Einphasenfließbedingungen ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 42, bei dem das Fluid in Zweiphasenfließbedingungen ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 42, bei dem wenigstens ein Anteil des Fluids in dem Wärmeaustauscher einen Übergang zwischen Einphasenfließbedingungen und Zweiphasenfließbedingungen durchläuft.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 42, der ferner wenigstens einen Fluidweg umfasst, der so konfiguriert ist, dass er auf das Fluid einen gewünschten Fluidwiderstand ausübt, um die Temperatur des Fluids an einen gewünschten Ort zu steuern.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 49, bei dem sich der wenigstens eine Fluidweg in der ersten Schicht befindet.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 49, bei dem sich der wenigstens eine Fluidweg in der zweiten Schicht befindet.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 49, bei dem sich der wenigstens eine Fluidweg in einer dritten Schicht befindet, die zwischen der ersten und der zweiten Schicht positioniert ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 49, bei dem der Fluidweg eine Flusslängendimension und eine hydraulische Dimension enthält.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 53, bei dem die hydraulische Dimension an einem gewünschten Ort in Bezug auf die Flusslängendimension ungleichförmig ist, um den Fluidwiderstand für das Fluid zu steuern.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 49, der ferner wenigstens ein dehnbares Ventil umfasst, das mit einer Wand des Fluidwegs gekoppelt ist, wobei das wenigstens eine dehnbare Ventil so konfiguriert ist, dass es in Reaktion auf eine oder mehrere Betriebsbedingungen eingestellt wird, um den Fluidwiderstand veränderlich zu steuern.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 49, der ferner einen oder mehrere Sensoren umfasst, die an einem vorgegebenen Ort entlang des Fluidwegs positioniert sind, wobei der eine oder die mehreren Sensoren Informationen hinsichtlich der Temperatur der Wärmequelle liefern.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 49, bei dem ein Abschnitt des Fluidwegs zu einem ersten Umlaufweg entlang der ersten Schicht gelenkt ist, wobei das Fluid in dem ersten Umlaufweg unabhängig von Fluid in einem zweiten Umlaufweg in der ersten Schicht fließt,
Wärmeaustauscher nach Anspruch 49, bei dem einer oder mehrere ausgewählte Bereiche in der ersten Schicht so konfiguriert sind, dass sie eine gewünschte Wärmeleitfähigkeit besitzen, um einen Wärmewiderstand für das Fluid zu steuern.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 49, bei dem die erste Schicht ferner mehrere darauf angeordnete Wärmeübertragungsmerkmale umfasst.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 59, bei dem wenigstens eines der Wärmeübertragungsmerkmale ferner eine Säule umfasst.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 59, bei dem das wenigstens eine Wärmeübertragungsmerkmal ferner einen Mikrokanal umfasst.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 59, bei dem das wenigstens eine Wärmeübertragungsmerkmal ferner eine Mikroporenstruktur umfasst.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 60, bei dem die wenigstens eine Säule eine Flächendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich (10 Mikrometer)² bis einschließlich (100 Mikrometer)² besitzt.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 60, bei dem die wenigstens eine Säule eine Höhendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 50 Mikrometern bis einschließlich 2 Millimetern besitzt.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 60, bei dem wenigstens zwei Säulen durch eine Abstandsdimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 10 bis einschließlich 150 Mikrometern voneinander getrennt sind.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 61, bei dem der wenigstens eine Mikrokanal eine Flächendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich (10 Mikrometer)² bis einschließlich (100 Mikrometer)² besitzt.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 61, bei dem der wenigstens eine Mikrokanal eine Höhendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 50 Mikrometern bis einschließlich 2 Millimetern besitzt.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 61, bei dem wenigstens zwei Mikrokanäle durch eine Abstandsdimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 10 bis einschließlich 150 Mikrometern voneinander getrennt sind.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 61, bei dem der wenigstens eine Mikrokanal eine Breitendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 10 bis einschließlich 150 Mikrometern besitzt.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 62, bei dem die Mikroporenstruktur eine Porosität innerhalb des Bereichs von einschließlich 50 bis einschließlich 80 Prozent besitzt.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 62, bei dem die Mikroporenstruktur eine durchschnittliche Porengröße innerhalb des Bereichs von einschließlich 10 bis einschließlich 200 Mikrometern besitzt.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 62, bei dem die Mikroporenstruktur eine Höhendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 0,25 bis einschließlich 2,00 Millimetern besitzt.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 59, bei dem wenigstens ein Abschnitt der ersten Schicht so konfiguriert ist, dass er eine gewünschte Rauigkeit zum Steuern des Fluidwiderstands besitzt.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 59, bei dem pro Flächeneinheit eine gewünschte Anzahl von Wärmeübertragungsmerkmalen angeordnet sind, um den Fluidwiderstand für das Fluid zu steuern.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 59, bei dem eine Längendimension wenigstens eines Wärmeübertragungsmerkmals zum Steuern des Fluidwiderstands für das Fluid konfiguriert ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 59, bei dem eine Höhendimension des Wärmeübertragungsmerkmals zum Steuern des Fluidwiderstands für das Fluid konfiguriert ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 59, bei dem eines oder mehrere Wärmeübertragungsmerkmale in geeignetem Abstand von einem benachbarten Wärmeübertragungsmerkmal positioniert sind, um den Fluidwiderstand für das Fluid zu steuern.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 59, bei dem wenigstens ein Abschnitt wenigstens eines Wärmeübertragungsmerkmals darauf eine Beschichtung enthält, wobei die Beschichtung den Wärmewiderstand für das Fluid steuert.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 59, bei dem wenigstens ein Wärmeübertragungsmerkmal so konfiguriert ist, dass es einen geeigneten Oberflächeninhalt zum Steuern des Fluidwiderstands für das Fluid besitzt.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 49, bei dem der Fluidweg ferner wenigstens ein Flusshemmelement umfasst, das sich in den Fluidweg erstreckt, um den Fluidwiderstand für das Fluid zu steuern.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 49, bei dem der Fluidweg zum Einstellen eines Fluiddrucks an einem vorgegebenen Ort zum Steuern einer Temperatur des Fluids konfiguriert ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 49, bei dem der Fluidweg einen Druck des Fluids an einem gewünschten Ort einstellt, um eine Momentantemperatur des Fluids zu steuern.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 49, bei dem der Fluidweg eine Fließgeschwindigkeit wenigstens eines Anteils des Fluids einstellt, um eine Temperatur des Fluids zu steuern.
Hermetisches Umlaufsystem zum Steuern einer Temperatur einer Wärmequelle, das umfasst: a. wenigstens einen Wärmeaustauscher zum Steuern der Temperatur der Wärmequelle durch steuerbares Kanalisieren wählbarer Mengen eines Fluids zu einem oder zu mehreren vorgegebenen Orten an der Wärmequelle, wobei der Wärmeaustauscher so konfiguriert ist, dass er Temperaturdifferenzen in der Wärmequelle minimiert; b. wenigstens eine Pumpe zum Umwälzen von Fluid durch den gesamten Kreislauf, wobei die wenigstens eine Pumpe mit dem wenigstens einen Wärmeaustauscher gekoppelt ist; und c. wenigstens einen Wärmeableiter, der mit der wenigstens einen Pumpe und mit dem wenigstens einen Wärmeaustauscher gekoppelt ist.
System nach Anspruch 84, bei dem die wenigstens eine Wärmeaustauscherschicht ferner umfasst: a. eine Zwischenschicht, die in wesentlichem Kontakt mit der Wärmequelle ist und so konfiguriert ist, dass sie Fluid entlang wenigstens eines Wärmeaustauschwegs kanalisiert, wobei die Zwischenschicht entlang einer ersten Ebene konfiguriert ist; und b. eine Verteilerschicht zum Liefern von Einlassfluid entlang wenigstens eines Einlasswegs und zum Entfernen von Auslassfluid entlang wenigstens eines Auslasswegs.
System nach Anspruch 85, bei dem die Verteilerschicht ferner umfasst: a. mehrere Einlassfinger in Verbindung mit den Einlassfluidwegen, wobei die mehreren Einlassfinger im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Ebene konfiguriert sind; und b. mehrere Auslassfinger in Verbindung mit den Auslassfluidwegen, wobei die mehreren Auslassfinger im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Ebene konfiguriert sind, wobei die Einlassfinger und die Auslassfinger parallel zueinander angeordnet sind.
System nach Anspruch 85, bei dem die Verteilerschicht ferner umfasst: a. mehrere Einlassfinger in Verbindung mit den Einlassfluidwegen, wobei die mehreren Einlassfinger im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Ebene konfiguriert sind; und b. mehrere Auslassfinger in Verbindung mit den Auslassfluidwegen, wobei die mehreren Auslassfinger im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Ebene konfiguriert sind, wobei die Einlassfinger und die Auslassfinger in nicht paralleler Beziehung zueinander angeordnet sind.
System nach Anspruch 85, bei dem die Verteilerschicht ferner umfasst: a. eine erste Ebene mit mehreren Fluidwegen, die in einem optimalen Abstand voneinander positioniert sind; und b. eine zweite Ebene, die so konfiguriert ist, dass sie Fluid von den Auslassfluidwegen zu dem zweiten Anschluss kanalisiert, wobei das Fluid in der ersten Ebene getrennt von dem Fluid in der zweiten Ebene fließt.
System nach Anspruch 84, bei dem das Fluid in Einphasenfließbedingungen ist.
System nach Anspruch 84, bei dem das Fluid in Zweiphasenfließbedingungen ist.
System nach Anspruch 84, bei dem wenigstens ein Anteil des Fluids in dem Wärmeaustauscher einen Übergang zwischen Einphasenfließbedingungen und Zweiphasenfließbedingungen durchläuft.
System nach Anspruch 85, bei dem der Wärmeaustauscher auf das Fluid einen Fluidwiderstand ausübt, um eine Fließgeschwindigkeit des Fluids an einen gewünschten Ort in dem Wärmeaustauscher zu steuern.
System nach Anspruch 92, bei dem jeder Einlassfluidweg und jeder Auslassfluidweg eine jeweilige Flusslängendimension und eine jeweilige hydraulische Dimension enthält.
System nach Anspruch 93, bei dem die hydraulische Dimension ungleichförmig in Bezug auf die Flusslängendimension ist, um den Fluidwiderstand für das Fluid zu steuern.
System nach Anspruch 92, das ferner wenigstens ein dehnbares Ventil umfasst, das entlang einer Wand innerhalb des Wärmeaustauschers gekoppelt ist, wobei das wenigstens eine dehnbare Ventil so konfiguriert ist, dass es in Reaktion auf eine oder mehrere Betriebsbedingungen einstellbar ist, um den Fluidwiderstand für das Fluid veränderlich zu steuern.
System nach Anspruch 84, das ferner einen oder mehrere Sensoren umfasst, die an einem vorgegebenen Ort in dem Wärmeaustauscher positioniert sind, wobei der eine oder die mehreren Sensoren Informationen hinsichtlich der Kühlung der Wärmequelle liefern.
System nach Anspruch 85, bei dem ein Abschnitt des Einlassfluidwegs zu einem ersten Umlaufweg entlang der ersten Schicht gelenkt ist, wobei das Fluid in dem ersten Umlaufweg unabhängig von Fluid in einem zweiten Umlaufweg in der Zwischenschicht fließt.
System nach Anspruch 92, bei dem einer oder mehrere ausgewählte Bereiche in der Zwischenschicht so konfiguriert sind, dass sie eine gewünschte Wärmeleitfähigkeit besitzen, um den Wärmewiderstand für das Fluid zu steuern.
System nach Anspruch 92, bei dem die Zwischenschicht ferner mehrere darauf angeordnete Wärmeübertragungsmerkmale umfasst.
System nach Anspruch 99, bei dem wenigstens eines der Wärmeübertragungsmerkmale ferner eine Säule umfasst.
System nach Anspruch 99, bei dem das wenigstens eine Wärmeübertragungsmerkmal ferner einen Mikrokanal umfasst.
System nach Anspruch 99, bei dem das wenigstens eine Wärmeübertragungsmerkmal ferner eine Mikroporenstruktur umfasst.
System nach Anspruch 100, bei dem die wenigstens eine Säule eine Flächendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich (10 Mikrometer)² bis einschließlich (100 Mikrometer)² besitzt.
System nach Anspruch 100, bei dem die wenigstens eine Säule eine Höhendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 50 Mikrometern bis einschließlich 2 Millimetern besitzt.
System nach Anspruch 100, bei dem wenigstens zwei Säulen durch eine Abstandsdimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 10 bis einschließlich 150 Mikrometern voneinander getrennt sind.
System nach Anspruch 101, bei dem der wenigstens eine Mikrokanal eine Flächendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich (10 Mikrometer)² bis einschließlich (100 Mikrometer)² besitzt.
System nach Anspruch 101, bei dem der wenigstens eine Mikrokanal eine Höhendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 50 Mikrometern bis einschließlich 2 Millimetern besitzt.
System nach Anspruch 101, bei dem wenigstens zwei Mikrokanäle durch eine Abstandsdimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 10 bis einschließlich 150 Mikrometern voneinander getrennt sind.
System nach Anspruch 101, bei dem der wenigstens eine Mikrokanal eine Breitendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 10 bis einschließlich 150 Mikrometern besitzt.
System nach Anspruch 102, bei dem die Mikroporenstruktur eine Porosität innerhalb des Bereichs von einschließlich 50 bis einschließlich 80 Prozent besitzt.
System nach Anspruch 102, bei dem die Mikroporenstruktur eine durchschnittliche Porengröße innerhalb des Bereichs von einschließlich 10 bis einschließlich 200 Mikrometern besitzt.
System nach Anspruch 102, bei dem die Mikroporenstruktur eine Höhendimension innerhalb des Bereichs von einschließlich 0,25 bis einschließlich 2,00 Millimetern besitzt.
System nach Anspruch 99, bei dem wenigstens ein Abschnitt der Zwischenschicht so konfiguriert ist, dass er eine gewünschte Rauigkeit zum Steuern des Fluidwiderstands für das Fluid besitzt.
System nach Anspruch 99, bei dem pro Flächeneinheit eine gewünschte Anzahl von Wärmeübertragungsmerkmalen angeordnet sind, um den Fluidwiderstand für das Fluid zu steuern.
System nach Anspruch 99, bei dem eine Längendimension wenigstens eines Wärmeübertragungsmerkmals zum Steuern des Fluidwiderstands für das Fluid konfiguriert ist.
System nach Anspruch 99, bei dem eine Höhendimension des Wärmeübertragungsmerkmals zum Steuern des Fluidwiderstands für das Fluid konfiguriert ist.
System nach Anspruch 99, bei dem eines oder mehrere Wärmeübertragungsmerkmale in geeignetem Abstand von einem benachbarten Wärmeübertragungsmerkmal positioniert sind, um den Fluidwiderstand für das Fluid zu steuern.
System nach Anspruch 99, bei dem wenigstens ein Abschnitt wenigstens eines Wärmeübertragungsmerkmals darauf eine Beschichtung enthält, wobei die Beschichtung einen gewünschten Betrag des Fluidwiderstands für das Fluid liefert.
System nach Anspruch 99, bei dem wenigstens ein Wärmeübertragungsmerkmal so konfiguriert ist, dass es einen geeigneten Oberflächeninhalt zum Steuern des Fluidwiderstands für das Fluid besitzt.
System nach Anspruch 92, bei dem wenigstens ein Fluidweg ferner wenigstens ein Flusshemmelement umfasst, das sich in den Fluidweg erstreckt, um den Fluidwiderstand für das Fluid zu steuern.
System nach Anspruch 92, bei dem der Einlassweg und/oder der Auslassweg zum Einstellen eines Fluiddrucks entlang eines vorgegebenen Orts entlang eines Durchflusswegs zum Steuern einer Temperatur des Fluids konfiguriert sind.
System nach Anspruch 92, bei dem der Einlassweg und/oder der Auslassweg einen Druck des Fluids an einem gewünschten Ort einstellen, um eine Temperatur des Fluids zu steuern.
System nach Anspruch 92, bei dem der Einlassweg und/oder der Auslassweg eine Fließgeschwindigkeit wenigstens eines Anteils des Fluids einstellen, um eine Temperatur des Fluids zu steuern.