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DE10301873B4 - Capillary evaporator structure and cooling system - Google Patents

Capillary evaporator structure and cooling system Download PDF

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DE10301873B4
DE10301873B4 DE2003101873 DE10301873A DE10301873B4 DE 10301873 B4 DE10301873 B4 DE 10301873B4 DE 2003101873 DE2003101873 DE 2003101873 DE 10301873 A DE10301873 A DE 10301873A DE 10301873 B4 DE10301873 B4 DE 10301873B4
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Germany
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capillary
evaporator structure
channels
capillary evaporator
transverse grooves
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DE2003101873
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Wolf-Jürgen Prof. Dr. Denner
Jürgen Dr. Wolf
Dirk Lorenzen
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Fachhochschule Jena
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    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
    • F28D15/046Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure characterised by the material or the construction of the capillary structure

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Abstract

Kapillare Verdampferstruktur (4) bestehend aus einem Substrat (14), in welchem zahlreiche nebeneinanderliegende ein Kühlmittel führende Kanäle (8) verlaufen, die zu einem Dampfraum (5) hin offen sind und die durch zwischenliegende Stege (9) voneinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in den Stegen (9) zahlreiche Querrillen (10) verlaufen, die ebenfalls zum Dampfraum (5) hin offen sind und wenigstens an einem Ende in die Kanäle (8) münden, wobei die gemittelte Breite der Querrillen (10) weniger als ein Drittel der gemittelten Breite der Kanäle (8) beträgt.capillary Evaporator structure (4) consisting of a substrate (14), in which Numerous adjacent coolant leading channels (8) extend to a Steam room (5) are open and through the intermediate webs (9) are spaced apart, characterized in that in the webs (9) numerous transverse grooves (10) run, which also to the vapor space (5) are open and at least at one end in the channels (8) wherein the average width of the transverse grooves (10) is less than one Third of the average width of the channels (8).

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Figure 00000001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kapillare Verdampferstruktur gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein verbessertes Kühlsystem zur Wärmeableitung von Bauelementen hoher Leistungsdichte. Ein solches Kühlsystem kann als Wärmerohr sowie als ein kapillar gepumpter zweiphasiger Kühlkreislauf ausgestaltet sein und ermöglicht die Wärmeableitung von Wärmequellen besonders hoher Leistungsdichte.The The present invention relates to a capillary evaporator structure according to the generic term of the attached Claim 1. Furthermore, the invention relates to an improved cooling system for heat dissipation of high power density devices. Such a cooling system can as a heat pipe and be designed as a capillary pumped two-phase cooling circuit and allows the heat dissipation of heat sources especially high power density.

Halbleiterbauelemente hoher Leistung benötigen zur Einhaltung der maximal zulässigen Betriebstemperatur geeignete Kühlvorrichtungen. Optoelektronische Bauelemente, wie Diodenlaserbarren und CCD-Sensoren erfordern zudem eine konstante Betriebstemperatur.Semiconductor devices need high power to comply with the maximum permissible Operating temperature suitable cooling devices. Optoelectronic devices, such as diode laser bars and CCD sensors also require a constant operating temperature.

Der Übergang zu immer höheren Packungsdichten in der Halbleitertechnik führt dazu, dass immer höhere Wärmeleistungen je Fläche abgeführt werden müssen. Um einen Wärmestrom von einigen 10 W/cm2 von einem Bauteil abführen zu können, benötigt man spezielle Kühlsysteme.The transition to ever higher Packing densities in semiconductor technology leads to ever higher heat outputs per area be dissipated have to. To a heat flow Of some 10 W / cm2 to be able to dissipate from a component, you need special cooling systems.

Eine Möglichkeit zur Kühlung hochbelasteter Bauteile ist die erzwungene Flüssigkeitskühlung. Das zu kühlende Bauteil wird auf einen Träger aufgebracht, der ein Mikrokanalsystem enthält. Durch die Mikrokanäle wird ein flüssiges Kühlmittel gepumpt, welches die Wärme aufnimmt. In den Mikrokanälen entsteht ein hoher Druckverlust, der durch die Pumpe kompensiert werden muss. Kühlsysteme mit Mikrokanalwärmetauschern sind aufwendig und hinsichtlich der Temperaturregelung träge.A possibility for cooling highly stressed components is the forced liquid cooling. The component to be cooled gets on a carrier applied, which contains a microchannel system. Through the microchannels is a liquid coolant pumped the heat receives. In the microchannels arises a high pressure loss, which must be compensated by the pump. cooling systems with microchannel heat exchangers are complex and sluggish in terms of temperature control.

Als Alternative kommen Systeme in Frage, die mit der Verdampfung eines flüssigen Kühlmittels arbeiten. Wegen der hohen Verdampfungswärme des Kühlmittels ist im Vergleich zur Flüssigkeitskühlung ein geringerer Kühlmittelstrom notwendig.When Alternative systems come into question with the evaporation of a liquid Coolant work. Because of the high heat of vaporization of the refrigerant is one compared to liquid cooling lower coolant flow necessary.

Aktive Verdampfungskühlsysteme, die als Impingement-Kühler bezeichnet werden, verwenden für die Rückführung der Flüssigkeit eine Pumpe.active Evaporative cooling systems, as an impingement cooler be used for the repatriation of liquid a pump.

Passive Zweiphasen-Kühlsysteme mit einer Flüssigkeitsrückführung durch Kapillarkräfte benötigen keine Pumpe. Die vorgenannten Systeme sind beispielsweise bekannt aus Faghri, A; Heat Pipe Science and Technology, ISBN 1-56032-383-3; 1996. Sie funktionieren entweder nach dem Prinzip des Wärmerohres oder als kapillar gepumpter Kühlkreislauf (in der englischsprachigen Literatur als „Capillary Pumped Loop" bezeichnet).passive Two-phase cooling systems with a liquid return through capillary forces need no pump. The aforementioned systems are known, for example from Faghri, A; Heat Pipe Science and Technology, ISBN 1-56032-383-3; 1996. They work either on the principle of the heat pipe or as a capillary pumped cooling circuit (referred to in the English literature as "capillary pumped loop").

Beim Wärmerohr handelt es sich um ein hermetisch geschlossenes System, dessen Innenwände mit einer Kapillarstruktur versehen sind. Die Kapillarstruktur ist mit einem flüssigen Wärmeträgermedium gefüllt, während sich im restlichen Hohlraum ein gasförmiges Wärmeträgermedium befindet. An einer vorbestimmten Stelle des Wärmerohres ist dabei Außen eine Wärmequelle angebracht, durch die dem Wärmerohr ein bestimmter Wärmestrom zugeführt wird. Durch die Wärmezufuhr verdampft flüssiges Kühlmittel aus der Kapillarstruktur in den Hohlraum. An einer anderen Stelle wird das Wärmerohr von außen gekühlt. Im Innenraum kondensiert an dieser Stelle gasförmiges Wärmeträgermedium in der Kapillarstruktur und gibt dabei die bei der Verdampfung aufgenommene Wärme wieder ab. Durch das entstehende Druckgefälle im Hohlraum wird die Dampfströmung aufrechterhalten. Das flüssige Wärmeträgermedium wird in der Kapillarschicht durch die wirkende Kapillar kraft der Flüssigkeit von der Kondensationszone wieder in die Verdampfungszone transportiert, so dass sich ein geschlossener passiver Kühlkreislauf ergibt.At the heat pipe it is a hermetically closed system, whose inner walls with a capillary structure are provided. The capillary structure is with a liquid Heat transfer medium filled while in the remaining cavity a gaseous Heat transfer medium located. At a predetermined point of the heat pipe is doing a outside heat source attached by the heat pipe a certain heat flow is supplied. By the heat supply vaporizes liquid coolant from the capillary structure into the cavity. At another point becomes the heat pipe from the outside cooled. In the interior condenses gaseous heat transfer medium in the capillary structure at this point and reflects the heat absorbed during the evaporation from. Due to the resulting pressure gradient in the cavity, the steam flow is maintained. The liquid Heat transfer medium is in the capillary by the acting capillary force of liquid transported from the condensation zone back to the evaporation zone, so that there is a closed passive cooling circuit.

Der kapillar gepumpte Kühlkreislauf wirkt nach einem ähnlichen Prinzip. Der Unterschied zu Wärmerohren besteht darin, dass ein Wärmerohr eine durchgängige Kapillarstruktur aufweist, während beim kapillar gepumpten Kühlkreis jeweils eine Kapillarstruktur nur in der Verdampfungszone und in der Kondensationszone vorhanden ist. Der Flüssigkeitstransport zwischen der Kondensationszone und der kapillaren Verdampferstruktur erfolgt dann in einer vollständig flüssigkeitsgefüllten Rohrleitung, die beide Zonen verbindet.Of the capillary pumped cooling circuit looks like a similar Principle. The difference to heat pipes is that a heat pipe is a consistent Capillary structure, while the capillary pumped cooling circuit a capillary structure only in the evaporation zone and in the condensation zone is present. The liquid transport between the condensation zone and the capillary evaporator structure takes place then in a complete liquid-filled pipeline, which connects both zones.

Beide Systeme lassen sich miniaturisieren. Mikrowärmerohre sind aus Veröffentlichungen bekannt. Prinzipiell lassen sich beide Arten kleiner passiver Zweiphasenkühlsysteme vorteilhaft zur Kühlung von Halbleiterbauelementen einsetzen. Problematisch ist aber, dass die Systeme nur bei einer geringen Wärmeleistung zuverlässig funktionieren und bei Überschreitung einer bestimmten Maximalleistung plötzlich versagen. Wird die Maximalleistung überschritten, trocknet die Kapillarstruktur in der Verdampfungszone plötzlich aus. Die Temperatur auf der Seite der Wärmequelle steigt schlagartig an, weil in der Verdampfungszone keine Flüssigkeit mehr vorhanden ist, die verdampfen kann. Das zu kühlende Bauelement kann durch die Überhitzung Schaden nehmen.Both Systems can be miniaturized. Microware pipes are from publications known. In principle, both types of small passive two-phase cooling systems can be used advantageous for cooling of semiconductor devices. The problem is that the systems work reliably only with a low heat output and when exceeded suddenly fail at a certain maximum power. If the maximum power is exceeded, The capillary structure in the evaporation zone dries out suddenly. The temperature on the side of the heat source increases abruptly because no liquid is left in the evaporation zone, which can evaporate. The component to be cooled can be due to overheating Get damaged.

Zwei verschiedene Vorgänge, die für das Wärmerohr und den kapillar gepumpten Kühlkreislauf in gleicher Weise wirken, können zu diesem Austrocknungsprozess führen. Die Ursachen des Austrocknens der Kapillarstruktur liegen in der Funktionsweise begründet. Durch die eingekoppelte Wärmeleistung wird im normalen Betrieb des Wärmerohres eine bestimmte Menge Flüssigkeit je Zeiteinheit in der Verdampfungszone verdampft. Dafür wird ein entsprechender Flüssigkeitsstrom durch die Kapillarstruktur nachgeliefert. Infolge der Zähigkeit erfährt die Flüssigkeit auf dem Weg von der Kondensationszone zur Verdampfungszone einen bestimmten Druckverlust. Analog dazu tritt auch ein zähigkeitsbedingter Druckverlust im Dampfkanal auf, da der Dampf von der Verdampfungszone zur Kondensationszone strömen muss. Beide Druckverluste werden im normalen Betrieb des Wärmerohres durch den Kapillardruck der Kapillarstruktur ausgeglichen, so dass das Kühlmittel zirkuliert. Mit steigender Wärmeleistung nehmen jedoch die zähigkeitsbedingten Druckverluste zu. Oberhalb einer bestimmten Grenzleistung, die als thermokapillare Grenze bezeichnet wird, reicht der Kapillardruck der Kapillarstruktur nicht mehr aus, um die Druckverluste auszugleichen. Dadurch reißt der Flüssigkeitsstrom ab und die Verdampfungszone trocknet aus.Two different processes, which act in the same way for the heat pipe and the capillary-pumped cooling circuit, can lead to this dehydration process. The causes of dehydration of the capillary structure are due to the mode of operation. Due to the coupled thermal power, a certain amount of liquid per unit time in the evaporation zone is evaporated during normal operation of the heat pipe. There will be a replenished corresponding liquid flow through the capillary structure. As a result of the viscosity, the liquid undergoes a certain pressure loss on the way from the condensation zone to the evaporation zone. Similarly, a viscosity-related pressure loss occurs in the steam channel, since the vapor must flow from the evaporation zone to the condensation zone. Both pressure losses are compensated in the normal operation of the heat pipe by the capillary pressure of the capillary structure, so that the coolant circulates. With increasing heat output, however, the viscosity-related pressure losses increase. Above a certain limit power, which is called thermocapillary limit, the capillary pressure of the capillary structure is no longer sufficient to compensate for the pressure losses. As a result, the liquid flow breaks off and the evaporation zone dries out.

Die Austrocknung der Kapillarstruktur kann jedoch bereits weit unterhalb der thermokapillaren Grenze auftreten. Insbesondere bei Mikrowärmerohren, bei welchen die Kapillarstruktur als System von zum Dampfraum hin offener Kanälen ausgebildet ist, kommt die Leistungsgrenze zum Tragen, die durch das Auftreten von Siedeblasen bedingt ist. In der o.g. Veröffentlichung von Faghri, Seiten 232 ff., wird der Effekt als „boiling limit" bezeichnet. Wenn das Kühlmittel ausschließlich von der Flüssigkeitsoberfläche verdampft, wird der kapillare Transport der darunter befindlichen Flüssigkeit im Kanal nicht beeinträchtigt. Bei einer entsprechend hohen Wärmeleistung je Flächeneinheit kommt es aber zum Blasensieden. Dabei entstehen im Flüssigkeitskanal Dampfblasen, die das Nachströmen von Flüssigkeit verhindern. Werden nur wenige Dampfblasen gebildet, können diese in den Dampfraum entwei chen und der jeweilige Flüssigkeitskanal wird nur für eine kurze Zeit blockiert. Werden jedoch hinreichend viele Dampfblasen je Zeiteinheit gebildet, werden einzelne Gebiete der Verdampfungszone in so starkem Maße von der Flüssigkeitszufuhr abgekoppelt, dass sämtliche Flüssigkeit daraus verdampft. Infolgedessen wird die Wärmeleistung auf die anderen noch benetzten Gebiete der Verdampferzone verteilt und die effektiv zur Verdampfung zur Verfügung stehende Fläche wird kleiner. Die zunehmende Leistung je Fläche führt dann dazu, dass nun in den noch aktiven Verdampferbereichen mehr Blasen gebildet werden. Dadurch setzt sich der Austrocknungsprozess in rasanter Weise über die gesamte Verdampfungszone fort und die Verdampfungszone erhitzt sich schlagartig.The However, dehydration of the capillary structure may already be far below the thermocapillary boundary occur. Especially with micro-heat pipes, in which the capillary structure as a system of the steam room out open channels is formed, the power limit comes into play, which by the Occurrence of boiling bubbles is conditional. In the o.g. publication by Faghri, pages 232 ff., the effect is called "boiling limit." If the coolant exclusively evaporated from the liquid surface, becomes the capillary transport of the underlying liquid not affected in the channel. at a correspondingly high heat output per unit area But it comes to bladder boiling. This occurs in the liquid channel Steam bubbles that flow after of liquid prevent. If only a few vapor bubbles are formed, they can escapes into the vapor space and the respective liquid channel is only for a short time Time is blocked. However, there will be enough vapor bubbles per unit of time formed, individual areas of the evaporation zone become so strong Measures of the hydration decoupled that all liquid evaporated from it. As a result, the heat output on the other still wetted areas of the evaporator zone and distributed effectively available for evaporation standing area gets smaller. The increasing power per area then leads to that now in the still active evaporator areas more bubbles are formed. Thus, the desiccation process continues in a rapid manner over the entire evaporation zone and the evaporation zone heats up abruptly.

Die Austrocknung der Verdampfungszone infolge von Siedeblasen erfolgt, wenn die Wärmeleistung je Fläche, die von der Wärmequelle in das Wärmerohr übertragen wird, einen bestimmten Wert überschreitet. Sie tritt auch dann auf, wenn der Kapillardruck an sich noch ausreichen würde, um die zähigkeitsbedingten Druckverluste auszugleichen.The Desiccation of the evaporation zone occurs as a result of boiling bubbles, if the heat output per area, that from the heat source transferred to the heat pipe will exceed a certain value. It also occurs when the capillary pressure is still sufficient would, around the toughness To compensate pressure losses.

Durch die plötzliche Überhitzung kann das zu kühlende Bauteil zerstört werden oder Schaden nehmen. Aber auch, wenn das zu kühlende Bauelement durch die Überhitzung keinen unmittelbaren Schaden erleidet, ist die Austrocknung nachteilig. Ist nämlich die Verdampfungszone einmal ausgetrocknet, kann eine Wiederbenetzung erst nach Abkühlung erfolgen. Um zum Normalbetrieb des Wärmerohres zurückzukehren, muss die Leistung des zu kühlenden Bauelementes abgeschaltet oder zumindest stark verringert werden.By the sudden overheating can that be cooled Component destroyed become or take damage. But also if the component to be cooled by the overheating does not suffer direct damage, dehydration is detrimental. Is that the Evaporation zone once dried out, can be a rewet only after cooling respectively. To return to the normal operation of the heat pipe, must be the power of the to be cooled Component switched off or at least greatly reduced.

Insbesondere bei inhomogener Verteilung des Wärmestromes bei der Einkopplung in das Wärmerohr kann die Grenzleistung, die zum Austrocknen führt, statistisch schwanken. Bei Leistungen nahe der Grenzleistung ist die Betriebssicherheit des Wärmerohres beeinträchtigt, weil das Austrocknen mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit auch schon unterhalb der Leistung auftreten kann, bei der mit Sicherheit die Austrocknung einsetzt.Especially with inhomogeneous distribution of the heat flow at the coupling into the heat pipe For example, the limit power that causes dehydration may vary statistically. For performances close to the limit power, the operational safety of the heat pipe impaired because drying out with a certain probability too already below the performance can occur at the security dehydration begins.

Es sind mehrere Ansätze bekannt, die Kapillarstruktur für hohe Leistungen zu optimieren. Die wichtigsten Vorkenntnisse werden nachfolgend zusammengefasst.It are several approaches known the capillary structure for to optimize high performance. The most important previous knowledge will be summarized below.

In der US 5, 769, 154 A werden labyrinthartige Kapillarstrukturen gezeigt, die im Gegensatz zu geradlinig verlaufenden Kanälen eine Flüssigkeitsströmung aus mehreren Richtungen ermöglichen.In the US 5, 769, 154A Labyrinth-like capillary structures are shown which, in contrast to rectilinear channels, allow liquid to flow from several directions.

In der DE 197 44 281 A1 werden Kapillarstrukturen vorgestellt, die einen geringen Porendurchmesser besitzen und Kanäle mit größerer Querschnittsfläche enthalten, in denen der Flüssigkeitstransport weniger durch den zähigkeitsbedingten Fließwiderstand gehemmt wird. Die Kapillarstruktur ist dabei aus Sintermaterial oder aus anderen porösen Stoffen, wie Geflechte, Gewebe, Schäume oder Faserfilzen ausgebildet. Die größeren Kanäle, die in der Literatur (z.B. G.P. Peterson: An introduction to Heat Pipes, ISBN 0-471-30512-X; Seite 243) als Flüssigkeitsarterien bezeichnet werden, sind beim Gegenstand der DE 197 44 281 A1 als Rillen in der Innenwand des Gehäuses ausgebildet. Eine dort beschriebene Ausführungsform zeigt die Arterien als zylindrische Hohlräume innerhalb der feinporigen Struktur. Eine andere Ausführungsform zeigt eine mehrlagige Kapillarstruktur, die aus einer unterseitigen grobporigen Schicht und einer dampfraumseitigen feinporigen Schicht besteht.In the DE 197 44 281 A1 Capillary structures are presented which have a small pore diameter and contain channels with a larger cross-sectional area, in which the liquid transport is less inhibited by the viscosity-related flow resistance. The capillary structure is formed of sintered material or of other porous materials, such as braids, fabrics, foams or fiber felts. The larger channels referred to in the literature (eg GP Peterson: An Introduction to Heat Pipes, ISBN 0-471-30512-X, page 243) as fluid arteries are the subject of DE 197 44 281 A1 formed as grooves in the inner wall of the housing. An embodiment described therein shows the arteries as cylindrical cavities within the fine-pored structure. Another embodiment shows a multi-layered capillary structure, which consists of a lower-side coarse-pored layer and a vapor-space-side fine-pored layer.

Gleichartige und einige weitere Strukturen sind schon länger bekannt. Eine Übersicht wurde in der o.g. Veröffentlichung von Faghri publiziert (Seiten 24 ff.). In einem Beispiel ist der Querschnitt eines Wärmerohres mit poröser Kapillarstruktur abgebildet, die zylindrische Flüssigkeitsarterien enthält. Eine mehrlagige Kapillarstruktur, die aus einer unterseitigen grobporigen Schicht und einer dampfraumseitigen feinporigen Schicht besteht, ist ebenfalls abgebildet. In der Veröffentlichung findet sich auch die Abbildung einer Struktur, bei der die Arterien als Rillen in der Gehäusewand ausgebildet sind, die von einem feinmaschigen Drahtgeflecht überdeckt sind.Similar and some other structures have been known for some time. An overview was published in the above publication by Faghri (pages 24 ff.). In one example, the cross section of a heat pipe with a porous capillary structure is shown, containing cylindrical fluid arteries. A multilayer capillary structure consisting of a bottom coarse-pored layer and a vapor space-side microporous layer is also shown. In the publication, there is also the image of a structure in which the arteries are formed as grooves in the housing wall, which are covered by a fine-meshed wire mesh.

Den genannten Strukturen nach US 5,769,154 A , DE 197 44,281 A1 und der schon oben erwähnten Literaturstelle ist gemein, dass sie gegenüber homogenen Kapillarstrukturen eine höhere Flüssigkeitstransportleistung aufweisen und dadurch die thermokapillare Grenzleistung höher ist. Die thermokapillare Grenzleistung kann aber in vielen Fällen bei weitem nicht ausgenutzt werden, da die Verdampferstruktur infolge von Blasensieden schon bei weitaus geringerer Wärmeleistung austrocknet.Following the structures mentioned US 5,769,154 A . DE 197 44 281 A1 and the above-mentioned reference is common that they have a higher liquid transport performance compared to homogeneous capillary structures and thereby the thermal capillary limit performance is higher. However, the thermal capillary limit performance can not be exploited in many cases by far, since the evaporator structure dries out as a result of nucleate boiling even at much lower heat output.

Die Strukturen nach DE 197 44 281 A1 sind besonders anfällig gegenüber der Bildung von Siedeblasen, weil in den Arterien befindliche Dampfblasen, die den Flüssigkeitstransport behindern, nur schwer in den Dampfraum entweichen können. Die Strukturen nach US 5,769,154 A sind zwar hinsichtlich des Flüssigkeitstransportes optimiert, weisen aber keine nennenswert höhere Beständigkeit gegenüber dem Austrocknen durch Siedeblasen auf.The structures after DE 197 44 281 A1 are particularly susceptible to the formation of boiling bubbles, because in the arteries located vapor bubbles that impede the liquid transport, difficult to escape into the vapor space. The structures after US 5,769,154 A Although optimized in terms of liquid transport, but have no appreciably higher resistance to drying out by boiling bubbles on.

In der Veröffentlichung US 6,056,044 A werden pilzförmige Kapillarstrukturen vorgestellt, die verbesserte Verdampfungs eigenschaften aufweisen. Die Wiederbenetzung der Struktur beim Auftreten von Siedeblasen ist durch die zusätzlichen Kanten im Flüssigkeitskanal verbessert. Allerdings wird durch überhängende Teile von Kappen das Entweichen der Siedeblasen in den Dampfraum erschwert. Die dampfraumseitigen Oberflächen der Kappen sind nicht mit Flüssigkeit benetzt und deshalb für die Verdampfung unwirksam. Der entstehende Dampf muss durch die schmalen Zwischenräume zwischen den Kappen in den Dampfraum gelangen. Dadurch wird der Gegendruck auf die Flüssigkeit erhöht, der wiederum die maximale Wärmeleistung begrenzt.In the publication US 6,056,044 A mushroom-shaped capillary structures are presented, which have improved evaporation properties. The rewetting of the structure when boiling bubbles occur is improved by the additional edges in the liquid channel. However, overhanging parts of caps make it difficult to escape the boiling bubbles into the vapor space. The vapor space side surfaces of the caps are not wetted with liquid and therefore ineffective for evaporation. The resulting steam must pass through the narrow spaces between the caps in the steam room. This increases the back pressure on the liquid, which in turn limits the maximum heat output.

Der oben beschriebene Prozess des Austrocknens der Verdampfungszone durch Siedeblasen begrenzt die maximal mögliche Leistung je Fläche, die vom Wärmerohr aufgenommen werden kann. Deshalb können Bauelemente hoher Packungsdichte, bei denen Abwärme auf einer besonders kleinen Fläche frei wird, nicht mit bekannten Wärmerohren gekühlt werden. Die Anwendung von bekannten Wärmerohren ist nur möglich, wenn der Wärmestrom des Bauelementes vor der Einkopplung in das Wärmerohr auf eine größere Fläche gespreizt wird. Die Wärmespreizung mit einem gut wärmeleitfähigen Festkörper, beispielsweise aus Kupfer, Silber oder Diamant, ist mit den Nachteilen des zusätzlichen Aufwandes und Platzbedarfs behaftet. Außerdem ist der Nachteil einer Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und dem Wärmerohr nicht zu vermeiden, die um so größer ist, je stärker die Wärmespreizung sein muss.Of the above-described process of drying out the evaporation zone By boiling bubbles limits the maximum possible power per area, the from the heat pipe can be included. Therefore, high-density devices, where waste heat on a particularly small surface becomes free, not be cooled with known heat pipes. The application of known heat pipes is only possible when the heat flow of the Component before the coupling into the heat pipe spread over a larger area becomes. The heat spread with a good thermally conductive solid, for example Made of copper, silver or diamond, with the disadvantages of the extra Expenses and space requirements afflicted. In addition, the disadvantage of a Temperature difference between the heat source and the heat pipe unavoidable, which is the greater the stronger the heat spreading have to be.

Ein weiteres Problem bekannter Wärmerohre, das deren Einsatz zur Kühlung kleiner Bauelemente mit hoher Wärmeleistung entgegensteht, ist der Wärmewiderstand. Die Wärme, die durch ein Wärmerohr übertragen wird, muß bei einer tieferen Temperatur abgegeben werden, als sie auf der Verdampferseite aufgenommen wird. Die Temperaturdifferenz ist abhängig von der übertragenen Wärmeleistung. Das Verhältnis der Temperaturdifferenz zur Wärmeleistung wird als Wärmewiderstand des Wärmerohres bezeichnet. Wenn die Wärme wegen der geringen Größe des zu kühlenden Bauelementes auf einer kleinen Fläche übertragen wird, wird der Wärmewiderstand des Wärmerohres wesentlich durch den Wärmewiderstand der Verdampfungszone bestimmt. Da als Wärmeträger im relevanten Temperaturbereich flüssige Metalle nicht in Betracht kommen, sondern nur dielektrische Substanzen, wie beispielsweise Wasser, Ammoniak, chlorierte Kohlenwasserstoffe, bzw. fluorierte Kohlenwasserstoffe, die eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, erfolgt die Wärmeleitung vorwiegend im Festkörperanteil der Kapillarstruktur. Bekannte Kapillarstrukturen auf Basis von Faserfilzen haben wegen der lateral orientierten Struktur einen nachteilig hohen Wärmewiderstand, während poröse Sintermaterialien zwar einen geringeren Wärmewiderstand aufweisen, aber der Flüssigkeitsströmung einen hohen Strömungswiderstand entgegensetzen.One another problem of known heat pipes, their use for cooling small components with high heat output is contrary, is the thermal resistance. The heat, transmitted through a heat pipe must, at be discharged at a lower temperature than they received on the evaporator side becomes. The temperature difference depends on the transferred Heat output. The relationship the temperature difference to the heat output is called thermal resistance of the heat pipe designated. When the heat because of the small size of the too cooling Component is transferred to a small area, the thermal resistance of the heat pipe essentially by the thermal resistance the evaporation zone determined. As a heat transfer medium in the relevant temperature range liquid Metals, but only dielectric substances, such as water, ammonia, chlorinated hydrocarbons, or fluorinated hydrocarbons, which have a very low thermal conductivity have, the heat conduction takes place predominantly in the solids content of Capillary structure. Known capillary structures based on fiber felts have a disadvantageously high because of the laterally oriented structure Thermal Resistance while porous Although sintered materials have a lower thermal resistance, but the liquid flow one high flow resistance oppose.

Kapillare Kanalstrukturen, wie beispielsweise nach Patentschrift US 5,769,154 A haben einen geringen Wärmewiderstand der Festkörperstruktur bis zur Oberseite, auf der die Verdampfung stattfindet. Wegen der schlechten Wärmeleitung in der Flüssigkeit erfolgt die Verdampfung jedoch hauptsächlich in der unmittelbaren Randzone der Flüssigkeit, während ein großer Teil der Flüssigkeitsoberfläche für die Verdampfung kaum wirksam ist. Dadurch ergibt sich ebenfalls ein hoher Wärmewiderstand der Verdampfungszone.Capillary channel structures, such as for example according to the patent US 5,769,154 A have a low thermal resistance of the solid state structure to the top on which the evaporation takes place. However, because of the poor heat conduction in the liquid, the evaporation takes place mainly in the immediate edge zone of the liquid, while a large part of the liquid surface is hardly effective for evaporation. This also results in a high thermal resistance of the evaporation zone.

Der hohe Wärmewiderstand der Verdampfungszone der bekannten Wärmerohre wirkt sich beim Betrieb des Wärmerohres nachteilig aus, da die Temperaturdifferenz über dem Wärmerohr eine tiefere Temperatur auf der Seite der Wärmesenke erfordert und somit höhere Anforderungen an das nachgeschaltete Kühlsystem stellt.Of the high thermal resistance the evaporation zone of the known heat pipes affects the operation of the heat pipe disadvantageous because the temperature difference across the heat pipe a lower temperature on the side of the heat sink requires and thus higher Demands on the downstream cooling system.

Der Einsatz miniaturisierter Wärmerohre zur Kühlung von Laserbarren ist aus der US-Patentschrift 5,453,641 A bekannt. Als Kapillarstruktur werden offene Mikrokanäle eingesetzt, die jedoch die oben genannten Nachteile der durch Blasensieden begrenzten Wärmeleistung je Fläche und einen hohen Wärmewiderstand der Verdampfungszone aufweisen.The use of miniaturized heat pipes for cooling laser bars is known from US Pat. No. 5,453,641 A. As capillary structure open microchannels are used, but the have the above-mentioned disadvantages of limited by Blasensieden heat output per area and a high thermal resistance of the evaporation zone.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine kapillare Verdampferstruktur zum Einsatz in einem passiven zweiphasigen Kühlsystem, insbesondere zum Kühlen von Halbleiterbauelementen aufzuzeigen, die gegenüber dem Stand der Technik eine höhere Wärmeleistung je Fläche aufnehmen kann und einen verminderten thermischen Widerstand aufweist. Außerdem soll durch die verbesserte kapillare Verdampferstruktur die Betriebssicherheit des Kühlsystem nahe der maximalen Leistung erhöht werden.task The invention is therefore a capillary evaporator structure for Use in a passive two-phase cooling system, in particular for cooling Semiconductor devices show that over the prior art a higher heat output per area can absorb and has a reduced thermal resistance. Furthermore The operational safety is due to the improved capillary evaporator structure of the cooling system increased near the maximum power become.

Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch eine kapillare Verdampferstruktur mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Mit der erfindungsgemäßen kapillaren Verdampferstruktur können Kühlsysteme entweder nach dem Prinzip des Wärmerohres oder als kapillar gepumpter Kühlkreislauf aufgebaut werden.The solution These tasks are performed by a capillary evaporator structure with the features specified in claim 1. With the capillary invention Evaporator structure can cooling systems either on the principle of the heat pipe or as a capillary pumped cooling circuit being constructed.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen kapillaren Verdampferstruktur und des mit dieser aufgebauten Kühlsystems besteht darin, dass im Vergleich zu bekannten Systemen eine höhere maximale Wärmeleistung je Fläche von der Wärmequelle abgeführt werden kann. Vorrichtungen zur Wärmespreizung zwischen dem zu kühlenden Bauelement und dem erfindungsgemäßen Kühlsystem können kleiner ausgebildet sein oder ganz eingespart werden.One Advantage of the capillary invention Evaporator structure and constructed with this cooling system is that in comparison to known systems a higher maximum heat output per area from the heat source can be dissipated. Devices for heat spreading between to be cooled Component and the cooling system according to the invention can be less educated or saved altogether.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kühlsystems besteht darin, dass ein verminderter thermischer Widerstand des Systems erreicht wird.One Another advantage of the cooling system according to the invention is that a reduced thermal resistance of the system is achieved.

Die Betriebssicherheit des Systems nahe der Maximalleistung wird verbessert. Das erfindungsgemäße Kühlsystem ist insbesondere auch zur Kühlung von Laserbarren höherer Leistung geeignet.The Operational safety of the system near maximum performance is improved. The cooling system according to the invention is in particular also for the cooling of Higher laser bars Performance suitable.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further Advantages, details and developments of the present invention result from the following description of preferred embodiments, with reference to the drawing. Show it:

1 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Kühlsystems, welches als Wärmerohr arbeitet; 1 a simplified perspective view of a cooling system, which works as a heat pipe;

2 eine Längsschnittsansicht des in 1 dargestellten Wärmerohrs; 2 a longitudinal sectional view of in 1 illustrated heat pipe;

3 eine perspektivische Detailansicht einer ersten Ausführungsform der im Kühlsystem verwendeten Kapillarstruktur; 3 a detailed perspective view of a first embodiment of the capillary structure used in the cooling system;

4 eine zweite Ausführungsform der Kapillarstruktur in einer Ansicht von oben; 4 a second embodiment of the capillary structure in a view from above;

5 eine dritte Ausführungsform der Kapillarstruktur in einer Detailansicht von oben. 5 a third embodiment of the capillary structure in a detailed view from above.

In den 1 und 2 ist der prinzipielle Aufbau eines Kühlsystems gezeigt, welches als Wärmerohr arbeitet.In the 1 and 2 shows the basic structure of a cooling system, which works as a heat pipe.

Das Wärmerohr ist als flacher geschlossener Hohlkörper 1 ausgebildet. An einer ersten Seite ist nahe des ersten Endes des Hohlkörpers 1 ein zu kühlendes Bauelement 2 angebracht. Der an das Bauelement 2 angrenzende Bereich des Hohlkörpers dient an seiner Außenseite als zusätzliche Kühlfläche 3, die an das Rückkühlsystem (nicht gezeigt) angeschlossen wird.The heat pipe is as a flat closed hollow body 1 educated. At a first side is near the first end of the hollow body 1 a component to be cooled 2 appropriate. The to the component 2 adjacent area of the hollow body serves on its outer side as an additional cooling surface 3 which is connected to the recooling system (not shown).

Der Längsschnitt des Wärmerohres ist in 2 dargestellt. Eine Kapillarstruktur 4, die flüssiges Kühlmittel enthält, befindet sich an der Innenwand des Hohlkörpers 2, also innerhalb des Hohlraumes 5. Die Wärme, die auf einer relativ kleinen Fläche vom Bauelement 2 abgenommen wird, führt zur Verdampfung von Kühlmittel (nicht gezeigt) in einer Verdampfungszone 6, welche durch einen vorderen Abschnitt der Kapillarstruktur 4 gebildet ist. Der Dampf strömt durch den Hohlraum 5 und gelangt zu einer Kondensationszone 7, wo er unter Wärmeabgabe kondensiert. Die Kondensationszone 7 wird durch einen hinteren Abschnitt der Kapillarstruktur 4 gebildet. Bei abgewandelten Ausführungen kann die Kondensationszone aber auch durch eine herkömmliche Kapillarstruktur gebildet sein. Verdampfungszone und Kondensationszone können unmittelbar ineinander übergehen oder als separate Bauelemente ausgebildet sein, die ggf. durch einen geringen Zwischenraum beabstandet sind.The longitudinal section of the heat pipe is in 2 shown. A capillary structure 4 , which contains liquid coolant, is located on the inner wall of the hollow body 2 So inside the cavity 5 , The heat, on a relatively small area of the device 2 is removed, leads to the evaporation of coolant (not shown) in an evaporation zone 6 passing through a front portion of the capillary structure 4 is formed. The steam flows through the cavity 5 and arrives at a condensation zone 7 where it condenses with heat release. The condensation zone 7 is through a rear portion of the capillary structure 4 educated. In modified embodiments, however, the condensation zone can also be formed by a conventional capillary structure. Evaporation zone and condensation zone can merge directly into each other or be formed as separate components, which are optionally spaced by a small gap.

Die Wärme kann nun an einer Kontaktfläche 13 zwischen der Kondensationszone 7 und der Innenwand des Hohlkörpers abgenommen werden. Die Kontaktfläche 13 ist wesentlich größer dimensioniert, als der Oberflächenabschnitt des Bauelements 2, der mit dem Hohlkörper 1 unmittelbar in Verbindung steht. Das Rückkühlsystem kann beispielsweise ein Peltierelement oder ein Luftstrom sein. Auf die Art des Rückkühlsystems und auf dessen Ankoppelung an das Wärmerohr kommt es für die vorliegende Erfindung nicht an, so dass auf eine detaillierte Beschreibung des Rückkühlsystems verzichtet wird.The heat can now be on a contact surface 13 between the condensation zone 7 and the inner wall of the hollow body are removed. The contact surface 13 is dimensioned much larger than the surface portion of the device 2 that with the hollow body 1 directly connected. The recooling system may be, for example, a Peltier element or an air flow. The nature of the recooling system and its coupling to the heat pipe are not relevant to the present invention, so that a detailed description of the recooling system is dispensed with.

Zur Kühlung von Bauteilen 2 mit besonders hoher Leistungsdichte kann es vorteilhaft sein, ein Diamantsubstrat 15 oder ein ähnliches gut wärmeleitendes Element zur Wärmespreizung zwischen dem Bauteil 2 und dem Hohlkörper 1 anzuordnen.For cooling components 2 With a particularly high power density, it may be advantageous to use a diamond substrate 15 or a similar good heat tendes element for heat spreading between the component 2 and the hollow body 1 to arrange.

Ein Abschnitt der erfindungsgemäßen Kapillarstruktur 4 ist als Ausbruch vergrößert in 3 dargestellt. Die Kapillarstruktur 4 wird durch nebeneinanderliegende Kanäle 8 mit z.B. rechteckigem Querschnitt gebildet. Beispielsweise beträgt die Breite 100 μm, die Tiefe 150 μm und der Abstand 200 μm. Zwischen je zwei benachbarten Kanälen 8 verbleiben Stege 9, die eine Stegbreite von ca. 100 μm besitzen. Die Stege 9 enthalten zusätzlich schmalere Querrillen 10 von beispielsweise 10 μm Breite und 20 μm Abstand, die beispielsweise geradlinig, beispielsweise parallel zueinander im rechten Winkel jeweils von einem der breiten Kanäle 8 zum benachbarten Kanal verlaufen. Bei abgewandelten Ausführungsformen können die Querrillen 10 auch nur an einer Stirnseite in die Kanäle 8 münden und eine verschlossene Stirnseite aufweisen.A section of the capillary structure according to the invention 4 is enlarged as an outbreak in 3 shown. The capillary structure 4 is through adjacent channels 8th formed with eg rectangular cross-section. For example, the width is 100 microns, the depth 150 microns and the distance 200 microns. Between every two adjacent channels 8th remain webs 9 , which have a web width of about 100 microns. The bridges 9 additionally contain narrower transverse grooves 10 for example, 10 microns wide and 20 microns distance, for example, straight, for example, parallel to each other at right angles in each case by one of the wide channels 8th to the adjacent channel. In modified embodiments, the transverse grooves 10 also only on one end face in the channels 8th open and have a closed end face.

Die gesamte Kapillarstruktur ist in einem Basissubstrat 14 eingebracht. Das Basissubstrat 14 kann beispielsweise Silizium oder ein anderes Halbleitermaterial sein. Für die Ausbildung der Kapillarstruktur im Basismaterial sind dem Fachmann verschiedene Technologien bekannt, die insbesondere in der Halbleitertechnik angewendet werden. Die Tiefe der schmaleren Querrillen 10 wird zweckmäßigerweise wesentlich geringer gewählt als die der breiten Kanäle 8, beispielsweise ca. 15 μm. Dadurch wird der für die Wärmeleitung in den Stegen 9 zur Verfügung stehende Materialquerschnitt nur auf einer geringen Tiefe beeinträchtigt.The entire capillary structure is in a base substrate 14 brought in. The base substrate 14 may be, for example, silicon or another semiconductor material. For the formation of the capillary structure in the base material, various technologies are known to those skilled in the art, which are used in particular in semiconductor technology. The depth of the narrower transverse grooves 10 is suitably chosen to be much lower than that of the wide channels 8th , for example, about 15 microns. This is the one for the heat conduction in the webs 9 available material cross-section affected only at a small depth.

Es ist bekannt, dass die Verdampfung des Kühlmittels vorwiegend in unmittelbarer Nähe der Grenzfläche zwischen den Wänden der Kapillarstruktur und der Flüssigkeit erfolgt. Durch die Anordnung von schmaleren Querrillen 10 wird die Randzone der Flüssigkeit, in der die Verdampfung hauptsächlich stattfindet, um ein Vielfaches gegenüber einer Struktur verlängert, die nur die breiten Kanäle enthält. Bei vorgegebener Gesamtfläche der Verdampferzone ist auf diese Weise eine höhere Verdampfungsleistung möglich. Die Austrocknung durch Bildung von Dampfblasen kann dadurch erst bei wesentlich höherer Wärmeleistung je Fläche auftreten. Durch die Verlängerung der Randzone der Flüssigkeit wird außerdem der Wärmewiderstand der Verdampfungszone erheblich verringert.It is known that the evaporation of the coolant takes place predominantly in the immediate vicinity of the interface between the walls of the capillary structure and the liquid. By the arrangement of narrower transverse grooves 10 For example, the edge zone of the liquid, in which the evaporation mainly takes place, is multiplied many times over a structure containing only the wide channels. For a given total area of the evaporator zone, a higher evaporation capacity is possible in this way. The dehydration by formation of vapor bubbles can occur only at significantly higher heat output per area. By extending the edge zone of the liquid also the thermal resistance of the evaporation zone is significantly reduced.

Außerdem wird in der erfindungsgemäßen kapillaren Verdampferstruktur eine höhere Blasenbildungsrate toleriert, da die Wiederbenetzung der breiteren Kanäle 8 durch die in den schmalen Querrillen 10 vorhandene Flüssigkeit auch bei stärkerer Blasenbildung gewährleistet wird.In addition, in the capillary evaporator structure according to the invention a higher blistering rate is tolerated because the rewet of the wider channels 8th through the in the narrow transverse grooves 10 existing liquid is ensured even with stronger blistering.

Zudem kann durch eine geeignete Geometrie der schmaleren Querrillen 10 eine reproduzierbare Keimblasenquelle induziert werden, die bewirkt, dass Keimblasen definierter Größe an den Einmündungen der schmaleren Querrillen 10 in die breiteren Kanäle 8 unmittelbar unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche eingebracht werden, die den Flüssigkeitstransport im darunter liegenden Kanalquerschnitt kaum beeinflussen und trotzdem Blasensieden aus den breiteren Kanälen 8 mit einer hohen Wärmeübertragungsrate gestatten.In addition, by a suitable geometry of the narrower transverse grooves 10 a reproducible seed bubble source is induced which causes seed bubbles of defined size at the junctions of the narrower transverse grooves 10 in the wider channels 8th be introduced immediately below the liquid surface, which hardly affect the liquid transport in the underlying channel cross-section and still nucleate boiling from the wider channels 8th allow with a high heat transfer rate.

Vorzugsweise werden in den Stegen 9 relativ viele Querrillen 10 angeordnet, um den beschriebenen vorteilhaften Effekt der Verhinderung der Austrocknung der Kanäle 8 in großem Umfang zu nutzen. Für eine optimale Raumausnutzung können die zwischen den Querrillen 10 verbleibenden Materialbereiche (Querstege) schmaler als die Breite der Querrillen 10 gestaltet sein. Es ist dabei auch zweckmäßig, wenn die Querrillen 10 tiefer als breit sind, wie dies aus 3 ersichtlich ist.Preferably, in the webs 9 relatively many cross grooves 10 arranged to the described advantageous effect of preventing dehydration of the channels 8th to use on a large scale. For an optimal use of space between the cross grooves 10 remaining material areas (transverse webs) narrower than the width of the transverse grooves 10 be designed. It is also useful if the transverse grooves 10 deeper than wide, like this 3 is apparent.

In einer abgewandelten, nicht dargestellten Ausführungsform der Kapillarstruktur verlaufen die schmaleren Querrillen ebenfalls geradlinig, aber nicht im rechten Winkel zu den breiteren Kanälen. Diese Ausführungsform, beispielsweise mit einem Winkel von 109,5°, ist besonders vorteilhaft, wenn als Substrat (110)-orientiertes Silizium verwendet wird. Dann kann die Struktur beispielsweise durch anisotropes Ätzen hergestellt werden, wobei der Winkel zwischen den Kanälen und den Querrillen dem Winkel der Kristallgitterebenen entspricht.In a modified, not shown embodiment of the capillary structure The narrower transverse grooves also run straight, but not at right angles to the wider channels. This embodiment, for example, with an angle of 109.5 °, is particularly advantageous when used as substrate (110) -oriented silicon. Then For example, the structure can be made by anisotropic etching be with the angle between the channels and the transverse grooves of the Angle of the crystal lattice planes corresponds.

Die erfindungsgemäße Kapillarstruktur lässt sich generell mit bekannten Ätzverfahren in Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial herstellen. Dazu wird zunächst eine erste Maskierungsschicht auf dem Substrat hergestellt, durch welche sowohl das Abbild der breiteren als auch der schmaleren Kanäle strukturiert werden. Auf diese erste Maskierungsschicht wird eine zweite aus einem anderen Material aufgebracht, in welche nur das Abbild der breiteren Kanäle struk turiert wird. In einem ersten Tiefenätzschritt werden die breiteren Kanäle bis etwas oberhalb der Solltiefe geätzt. Danach wird die oben liegende Maskierungsschicht selektiv entfernt und ein zweiter Tiefenätzschritt auf Solltiefe der schmaleren Kanäle durchgeführt. Als selektiv zu entfernende Maskierungsschichten eignen sich beispielsweise Metalle, Siliziumoxid und Siliziumnitrid sowie verschiedene Lacke. Die Ätzschritte können jeweils z.B. als Plasmaätzprozess nach DE 42 41 0454 oder als nasschemischer anisotroper Ätzprozess durchgeführt werden.The capillary structure according to the invention can generally be produced by known etching methods in silicon or another semiconductor material. For this purpose, first a first masking layer is produced on the substrate, by which both the image of the wider and the narrower channels are structured. On this first masking layer, a second made of a different material is applied, in which only the image of the wider channels is structured. In a first deep etching step, the wider channels are etched to slightly above the desired depth. Thereafter, the top masking layer is selectively removed and a second depth etching step is performed to the target depth of the narrower channels. Examples of suitable masking layers to be removed are metals, silicon oxide and silicon nitride, as well as various paints. The etching steps can each according to eg as plasma etching DE 42 41 0454 or as a wet-chemical anisotropic etching process.

Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform der Kanalstruktur sind die breiteren Kanäle 8 derart ausgeführt, dass die Breite derselben in Richtung der Flüssigkeitsströmung, betrachtet am Anfang 11 der Verdampferzone 6 größer gewählt ist als an deren Ende 12. Die schmaler werdenden Kanäle bewirken einen zum Verdampferende hin zunehmenden Kapillardruck. Die schmaleren Querrillen 10 werden zum Verdampferende hin sukzessive länger, was einer vorteilhaften Verlängerung der Randzone der Flüssigkeit entspricht.At the in 4 the embodiment of the channel structure shown are the wider channels 8th made such that the width thereof in the direction of liquid flow, as viewed at the beginning 11 of the evaporator zone 6 greater than at the end 12 , The narrowing channels cause a capillary pressure increasing toward the end of the evaporator. The narrower transverse grooves 10 become gradually longer towards the end of the evaporator, which corresponds to an advantageous extension of the edge zone of the liquid.

Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform verlaufen die breiteren Kanäle 8 nicht parallel, sondern schließen in der Verdampferzone 6 jeweils einen spitzen Winkel ein. Diese Ausführungsform ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Wärmesenke eine größere Breite aufweist als die Wärmequelle.At the in 5 In the embodiment shown, the wider channels run 8th not parallel, but close in the evaporator zone 6 each an acute angle. This embodiment is particularly advantageous when the heat sink has a greater width than the heat source.

Generell ist darauf hinzuweisen, dass die Querschnitte der breiteren Kanäle 8 sowie der schmaleren Querrillen 10 nicht rechteckig zu sein müssen. Vorteilhaft können ebenso beispielsweise trapezförmige, dreieckige oder kreissegmentförmige Querschnitte verwendet werden. Insbesondere bei Herstellungsverfahren auf Grundlage schwach anisotroper Ätzprozesse entstehende ovale Querschnitte sind ebenfalls geeignet.Generally, it should be noted that the cross sections of the wider channels 8th as well as the narrower transverse grooves 10 do not have to be rectangular. Advantageously, for example, trapezoidal, triangular or circular segmental cross sections can be used. Oval cross-sections, in particular in manufacturing processes based on weakly anisotropic etching processes, are also suitable.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Kapillarstruktur in einem Halbleitersubstrat, wie beispielsweise Silizium, Galliumarsenid, Indiumphosphit oder Siliziumkarbid realisiert, welches die Verdampfungszone des Kühlsystems darstellt. Auf der der Kapillarstruktur abgewandten Seite des Substrates kann in diesem Fall ein Halbleiterbauelement strukturiert werden, welches effektiv durch das erfindungsgemäße Kühlsystem gekühlt wird.In an advantageous embodiment is the capillary structure according to the invention in a semiconductor substrate, such as silicon, gallium arsenide, Indium phosphide or silicon carbide realized, which is the evaporation zone represents the cooling system. On the side facing away from the capillary structure of the substrate can be structured in this case, a semiconductor device, which effectively by the cooling system according to the invention is cooled.

Das Gesamtsystem kann in Weiterentwicklung der beschriebenen Ausführungsbeispiele auch derart ausgeführt sein, dass die Wärmeabgabe auf der gegenüberliegenden Seite oder auf beiden Seiten des flachen Hohlkörpers erfolgt. Der Rücktransport der Flüssigkeit in die kapillare Verdampferstruktur erfolgt dann beispielsweise über eine bekannte kapillare Struktur oder ein poröses Material an den Innenseiten der Wände.The Overall system can be seen in further development of the described embodiments also executed in this way be that heat dissipation on the opposite side Side or on both sides of the flat hollow body takes place. The return transport the liquid into the capillary evaporator structure then takes place for example via a known capillary structure or a porous material on the insides the walls.

Eine weitere Variante des vorgenannten Ausführungsbeispiels enthält Stege innerhalb des Hohlraumes, die die Stabilität der Anordnung erhöhen. Diese Stege können auch aus einem porösen Material hergestellt sein oder mit einem porösen Material beschichtet sein oder Kanäle enthalten, die einen Flüssigkeitstransport zwischen Ober- und Unterseite ermöglichen.A another variant of the aforementioned embodiment includes webs inside the cavity, which increase the stability of the arrangement. These Stages can also from a porous material be prepared or coated with a porous material or channels contain a liquid transport between top and bottom allow.

Bei einer nochmals abgewandelten Ausführungsform sind in den Stegen 9 zusätzlich zu den Querrillen 10 noch weitere Hilfsrillen ausgebildet, die in die Querrillen 10 einmünden. Die Vorteile, welche die Anordnung der Querrillen 10 hinsichtlich der erhöhten Funktionssicherheit der breiteren Kanäle 8 mit sich bringen, werden auf diese Weise auch für die Querrillen 10 durch die Hilfsrillen bereitgestellt. Die Querrillen 10 werden ihrerseits aus den Hilfsrillen mit Kühlmittel gespeist, so dass bereits an dieser Stelle ein Austrocknen der Querrillen verhindert wird.In a further modified embodiment are in the webs 9 in addition to the cross grooves 10 even more auxiliary grooves formed in the transverse grooves 10 open out. The advantages of the arrangement of the transverse grooves 10 in terms of increased reliability of the wider channels 8th bring with it, become in this way also for the transverse grooves 10 provided by the auxiliary grooves. The transverse grooves 10 are in turn fed from the auxiliary grooves with coolant, so that even at this point drying of the transverse grooves is prevented.

Bei der erfindungsgemäßen Kapillarenverdampferstruktur können darüber hinaus auch Maßnahmen angewendet werden, die aus vorbekannten Verdampferstrukturen zur Verbesserung der Arbeitsweise bekannt sind. Beispielsweise können kleinere Ausnehmungen oder Überstände an den Seitenwänden oder auf dem Boden der Kanäle, der Querrillen und/oder der Hilfsrillen ausgebildet werden.at the capillary evaporator structure according to the invention can about that In addition, measures can be applied, the previously known evaporator structures for Improvement of the operation are known. For example, smaller recesses or supernatants on the sidewalls or on the bottom of the channels, the transverse grooves and / or the auxiliary grooves are formed.

Es wurde bereits einleitend darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße kapillare Verdampferstruktur auch in kapillargepumpten Kühlkreisläufen vorteilhaft eingesetzt werden kann. Der prinzipielle Aufbau solcher Kühlkreisläufe ist dem Fachmann bekannt. Die zuvor beschriebene Kapillarstruktur kann an Stelle bekannter Strukturen vorteilhaft in der Verdampfungszone eines solchen Kühlkreislaufes eingesetzt werden. Die Kanäle für die Flüssigkeit bzw. für den Dampftransport zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator sind in solchen Fällen getrennt ausgeführt. Erforderlichenfalls ist in der Flüssigkeitsleitung nahe der Kondensationszone eine Zone zur Unterkühlung der Flüssigkeit vorzusehen, die die Gefahr der Bildung von Dampfblasen im Flüssigkeitskanal abwendet. Die Verbindungsleitungen zwischen Verdampfer und Kondensator können jeweils als separates Röhrchen für den Dampf und für die Flüssigkeit ausgeführt sein.It has already been pointed out that the inventive capillary Evaporator structure also used advantageously in capillary pumped cooling circuits can be. The basic structure of such cooling circuits is known in the art. The previously described capillary structure may be known instead Structures advantageously used in the evaporation zone of such a cooling circuit become. The channels for the Liquid or for the Steam transport between the evaporator and the condenser are separated in such cases executed. If necessary, in the liquid line near the condensation zone a Zone for subcooling the liquid provide the risk of formation of vapor bubbles in the fluid channel turns away. The connecting pipes between evaporator and condenser can each as a separate tube for the Steam and for the liquid accomplished be.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Gehäuse in der Zone zwischen Verdampfungszone und Kondensationszone doppelwandig ausgeführt, wobei der im inneren befindliche Dampfkanal durch die Innenwand von dem mantelseitigen Flüssigkeitskanal abgetrennt ist.In a further embodiment is the case double-walled in the zone between the evaporation zone and the condensation zone executed, wherein the inner steam channel through the inner wall of the shell-side fluid channel is separated.

Um vorhandene Kühlsysteme effektiver zu gestalten, ist es möglich, die kapillare Verdampferstruktur als eigenständiges Bauteil auszubilden, um dieses Bauteil als Verdampfungszone in verschiedene Kühlsysteme einzusetzen. Die Verdampferstruktur ist dann mit Hilfe einer Fügetechnologie in dem Hohlkörper befestigt. Der Hohlkörper kann an seinen Innenwänden mit einer bekannten Kapillarstruktur bzw. einer porösen Schicht versehen sein. Dabei kann es zweckmäßig sein, eine Entkoppelung der Verdampfungszone von der adiabaten Zone des Kühlsystems vorzunehmen, in dem zwischen diesen beiden Zonen ein schmaler Zwischenraum belassen wird, der zur gleichmäßigen Verteilung der Kühlflüssigkeit beiträgt.Around existing cooling systems To make it more effective, it is possible to use the capillary evaporator structure as an independent Form part to make this component as an evaporation zone in different cooling systems use. The evaporator structure is then using a joining technology in the hollow body attached. The hollow body can on its interior walls with a known capillary structure or a porous layer be provided. It may be appropriate, a decoupling the evaporation zone of the adiabatic zone of the cooling system in which between these two zones a narrow space which is left for even distribution the cooling liquid contributes.

Eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen kapillaren Verdampferstruktur besteht aus einem Metall, vorzugsweise Kupfer, Silber, Aluminium oder Titan, wobei die mit Hilfe einer Negativmaske aus Kunststoff galvanisch hergestellt wird.A modified embodiment of he According to the invention capillary evaporator structure consists of a metal, preferably copper, silver, aluminum or titanium, which is produced by means of a negative mask made of plastic.

11
Hohlkörperhollow body
22
zu kühlendes Bauelementto cooling module
33
zusätzliche Kühlflächeadditional cooling surface
44
Kapillarstrukturcapillary
55
Hohlraumcavity
66
VerdampfungszoneEvaporation zone
77
Kondensationszonecondensation zone
88th
Kanälechannels
99
StegeStege
1010
Querrillentransverse grooves
1111
Anfang der VerdampferzoneBeginning the evaporator zone
1212
Ende der VerdampferzoneThe End the evaporator zone
1313
Kontaktflächecontact area
1414
Basissubstratbase substrate
1515
Diamantsubstratdiamond substrate

Claims (15)

Kapillare Verdampferstruktur (4) bestehend aus einem Substrat (14), in welchem zahlreiche nebeneinanderliegende ein Kühlmittel führende Kanäle (8) verlaufen, die zu einem Dampfraum (5) hin offen sind und die durch zwischenliegende Stege (9) voneinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in den Stegen (9) zahlreiche Querrillen (10) verlaufen, die ebenfalls zum Dampfraum (5) hin offen sind und wenigstens an einem Ende in die Kanäle (8) münden, wobei die gemittelte Breite der Querrillen (10) weniger als ein Drittel der gemittelten Breite der Kanäle (8) beträgt.Capillary evaporator structure ( 4 ) consisting of a substrate ( 14 ), in which numerous adjacent channels ( 8th ) leading to a vapor space ( 5 ) are open and through the intermediate webs ( 9 ) are spaced apart, characterized in that in the webs ( 9 ) numerous cross grooves ( 10 ), which also to the steam room ( 5 ) are open and at least at one end in the channels ( 8th ), the average width of the transverse grooves ( 10 ) less than one third of the average width of the channels ( 8th ) is. Kapillare Verdampferstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querrillen (10) eine geringere Tiefe haben als die Kanäle (8).Capillary evaporator structure according to claim 1, characterized in that the transverse grooves ( 10 ) have a smaller depth than the channels ( 8th ). Kapillare Verdampferstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Stegen (9) zwischen den Querrillen (10) weiterhin Hilfsrillen verlaufen, die ebenfalls zum Dampfraum (5) hin offene sind und in die Querrillen (10) einmünden.Capillary evaporator structure according to claim 1 or 2, characterized in that in the webs ( 9 ) between the transverse grooves ( 10 ) continue to run auxiliary grooves, which also to the vapor space ( 5 ) are open and in the transverse grooves ( 10 ). Kapillare Verdampferstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (8) und/oder die Querrillen (10) kleine Ausnehmungen oder Überstände an den Seitenwänden oder auf dem Kanalboden aufweisen.Capillary evaporator structure according to one of claims 1 to 3, characterized in that the channels ( 8th ) and / or the transverse grooves ( 10 ) have small recesses or projections on the side walls or on the channel bottom. Kapillare Verdampferstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die breiteren Kanäle (8) und/oder die schmaleren Querrillen (10) jeweils eine sich in Strömungsrichtung des Kühlmittels verringernde Breite aufweisen.Capillary evaporator structure according to one of claims 1 to 4, characterized in that the wider channels ( 8th ) and / or the narrower transverse grooves ( 10 ) each have a decreasing in the flow direction of the coolant width. Kapillare Verdampferstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die breiteren Kanäle (8) und/oder die schmaleren Querrillen (10) jeweils einen rechteckigen, trapezförmigen, dreieckigen, kreissegmentförmigen, ovalen oder kissenförmigen Querschnitt aufweisen.Capillary evaporator structure according to one of claims 1 to 5, characterized in that the wider channels ( 8th ) and / or the narrower transverse grooves ( 10 ) each have a rectangular, trapezoidal, triangular, circular segment, oval or pillow-shaped cross-section. Kapillare Verdampferstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (14) aus einem Halbleitermaterial besteht.Capillary evaporator structure according to one of claims 1 to 6, characterized in that the substrate ( 14 ) consists of a semiconductor material. Kapillare Verdampferstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie in dem Halbleitermaterial (14) durch aufeinanderfolgende Ätzschritte eingebracht ist.Capillary evaporator structure according to claim 7, characterized in that it is in the semiconductor material ( 14 ) is introduced by successive etching steps. Kapillare Verdampferstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch galvanisches Abformen einer Photoresiststruktur hergestellt wurde.Capillary evaporator structure according to one of claims 1 to 7, characterized in that they by galvanic molding a photoresist pattern was prepared. Kapillare Verdampferstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Kanäle (8) eine Breite zwischen 20 μm und 500 μm besitzen und dass die Querrinnen (10) eine Breite zwischen 0,1 μm und 20 μm besitzen.Capillary evaporator structure according to one of claims 1 to 9, characterized in that channels ( 8th ) have a width between 20 μm and 500 μm and that the transverse grooves ( 10 ) have a width between 0.1 μm and 20 μm. Kühlsystem (1) mit einer Verdampfungszone (6) und einer Kondesationszone (7) zur Abführung von Wärme von einem Bauelement (2), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Verdampfungszone eine kapillare Verdampferstruktur (4) nach einem der Ansprüchen 1 bis 10 umfasst.Cooling system ( 1 ) with an evaporation zone ( 6 ) and a conformation zone ( 7 ) for removing heat from a component ( 2 ), characterized in that at least the evaporation zone has a capillary evaporator structure ( 4 ) according to one of claims 1 to 10. Kühlsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die kapillare Verdampferstruktur (4) als separates Bauteil ausgebildet ist.Cooling system according to claim 11, characterized in that the capillary evaporator structure ( 4 ) is formed as a separate component. Kühlsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der kapillaren Verdampferstruktur (4) und der kapillaren Struktur der adiabaten Zone des Kühlsystem ein schmaler Zwischenraum ausgebildet ist.Cooling system according to claim 12, characterized in that between the capillary evaporator structure ( 4 ) and the capillary structure of the adiabatic zone of the cooling system, a narrow gap is formed. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zu kühlenden Bauteil (2) und der kapillaren Verdampferstruktur (4) ein Diamantsubstrat (15) zur Wärmespreizung angeordnet ist.Cooling system according to one of claims 11 to 13, characterized in that between the component to be cooled ( 2 ) and the capillary evaporator structure ( 4 ) a diamond substrate ( 15 ) is arranged for heat spreading. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es als Wärmerohr oder kapillar gepumpter Kühlkreislauf ausgebildet ist.cooling system according to one of the claims 11 to 14, characterized in that it is pumped as a heat pipe or capillary Cooling circuit is trained.
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