DE10136711A1

DE10136711A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermeidung eines Gasfilms in einer Verdampferzone eines Zweiphasen-Kühlsystems

Info

Publication number: DE10136711A1
Application number: DE2001136711
Authority: DE
Inventors: Eric Dr Baudelot; Dieter Dr Metzner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2003-02-13
Also published as: WO2003016810A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vermeidung eines Gasfilms in einer Verdampferzone eines Zweiphasen-Kühlsystems und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Erfindungsgemäß werden mechanische Schwingungen im Ultraschallfrequenzbereich in diese Verdampferzone eingekoppelt. Somit wird kostengünstig und aufwandsarm die Verdfampferzone vor einer Austrocknung geschützt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vermeidung eines Gasfilms in einer Verdampferzone eines Zweiphasen- Kühlsystems und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei einem Zweiphasen-Kühlsystem wird mittels Verdampfung einer Arbeitsflüssigkeit Wärme abgeführt. Generell bestehen derartige Zweiphasen-Kühlsysteme aus einer Verdampfer- und Kondenserzone zur Einbringung und Abfuhr von Wärme in und aus diesem System. Dabei wird die Verdampfungswärme einer Arbeitsflüssigkeit, meist Kohlenwasserstoffe mit Fluor und/oder Chloranteilen, die mit einer zu kühlenden Oberfläche in Kontakt steht, genutzt, um eine abzuführende Wärme aufzunehmen. Die dabei entstandene Gasmenge wird in Form von Blasen durch Auftrieb und/oder Strömungen der Flüssigkeit aus dem mit Flüssigkeit gefüllten Bereich entfernt. Meist wird die entweichende Gasmenge in einem geschlossenen Kühlsystem zurückgeführt, indem das Gas an einem kalten Bereich des Kühlsystems, dem sogenannten Kondenserbereich, kondensiert wird. Jeder Teilprozess des Kreislaufes - Abfuhr der Blasen vom Entstehungsort zum Kondenser, Kondensation, Rückfluss der kondensierten Flüssigkeit zum Verdampfer - unterliegt gewissen Grenzen im Bezug auf die abführbare Wärmemenge.
Der Verdampfungsprozess stellt eine der wesentlichen Einschränkungen dar, da bei hohen Leistungsdichten die Gefahr einer Austrocknung besteht, d. h., es entsteht ein Gasfilm, der verhindert, dass weitere Flüssigkeit in Kontakt mit der zu kühlenden Oberfläche gelangen kann. Oberhalb einer abzuführenden Wärmemenge von 10 bis 20 W/cm² stellt sich das Filmsieden ein. Demgegenüber entstehen bei heutigen leistungselektronischen Anwendungen am Entstehungsort eine Ver- lustwärme von bis zu 300 W/cm². Deshalb sind derzeit Maßnahme zur Wärmespreizung unabdingbar, bevor die Übergabe der Wärme in das Kühlmedium erfolgen kann. Das gebräuchlichste Beispiel besteht in der Kupfer-Bodenplatte bei Leistungsmodulen, wo ein Flächenspreizungsfaktor von typischer Weise 5 bis 10 erzielt wird. Mit zunehmender Packungsdichte und Gesamtfläche der Siliziumchips stößt man an die Grenzen der metallischen Wärmeleitung, d. h. es ist allenfalls mit hohen Materialaufwand möglich, die resultierenden Temperaturgradienten in Grenzen zu halten.
Aus der DE 42 40 082 C1 ist ein Wärmerohr bekannt, das mittels eines Profilblechs in zwei Kanäle unterteilt ist, nämlich einem Dampfkanal und einem Flüssigkeitskanal. Im Flüssigkeitskanal, der sogenannten Arterie, ist eine Blende angeordnet, die einen Teil der Querschnittsfläche dieses Kanals einnimmt. Mit einem geringen Abstand hinter der Blende ist in stromabwärtiger Richtung ein Käfig angeordnet, der aus einem Drahtgeflecht besteht. An der Blende wird der Gesamtstrom dieses Mediums in zwei Teilströme aufgeteilt, von denen der eine ungehindert in seiner ursprünglichen Strömungsrichtung weiterfließt, während der andere hinter der Blende scharf umgelenkt wird und dadurch in den Käfig gelangt. Dieser zweite Teilstrom enthält auch praktisch alle Dampf- oder Gasblasen, die in der anströmenden Flüssigkeit enthalten sind. Die mit der Flüssigkeitsströmung in den Käfig beförderten Blasen werden dort festgehalten, da aufgrund der höheren Oberflächenspannung die Poren des Käfigs für das Gas nicht durchlässig sind, wohl aber für die im stromabwärtigen Bereich des Käfigs wieder aus diesem ausströmende Flüssigkeit. Derartige Blasenfallen können auch an mehreren Stellen der Arterie eingebaut werden. Sofern das Wärmerohr beispielsweise aus mehreren Teilelementen besteht, ist es vorteilhaft, sie am Beginn jedes Teilelements anzuordnen. Zusätzlich kann eine solche Blasenfalle auch am Eingang des Verdampfers angeordnet werden. Somit wird bei diesem Wärmerohr eine völlig selbsttätige Absausung vorhandener Gas- oder Dampfblasen erreicht, ohne dass hierfür eine Betriebsunterbrechung erforderlich ist.
Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, dass immer eine Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit vorliegen muss, damit die sogenannten Blasenfallen im Flüssigkeitskanal richtig platziert werden können. Außerdem ist die Installation dieser Vorrichtung immer mit einem konstruktiven Eingriff in das Wärmerohr verbunden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermeidung eines Gasfilms in einer Verdampferzone eines Zweiphasen-Kühlsystems anzugeben, das kostengünstig und aufwandsarm ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 2 gelöst.
Dadurch, dass mechanische Schwingungen im Ultraschallfrequenzbereich in der Verdampfungszone eingekoppelt werden, wird die Arbeitsflüssigkeit in der Verdampferzone derart in Bewegung versetzt, dass sich kein zusammenhängender Gasfilm mehr an der zu kühlenden Oberfläche des Verdampfers mehr bilden kann. Diese Einkopplung von mechanischen Schwingungen in die Verdampferzone erfolgt ohne einen konstruktiven Eingriff in das Zweiphasen-Kühlsystems. Dieses Verfahren kann auch nachträglich bei bestehenden Zweiphasen-Kühlsystemen ohne großen Aufwand kostengünstig angewendet werden.
Bei einem weiteren Verfahren wird die Arbeitsflüssigkeit des Zweiphasen-Kühlsystems derart mit schwebenden Partikeln angereichert, dass eine Suspension entsteht. Durch diese schwebenden Partikel wird an der zu kühlenden Oberfläche des Verdampfers mit den entstehenden Dampfblasen derart eine Bewegung erzeugt, dass sich kein zusammenhängender Gasfilm mehr bilden kann. Damit ist die Gefahr einer Austrocknung aufwandsarm und kostengünstig gebannt.
Werden als Partikeln permanentmagnetische Partikel verwendet, so können diese mit Hilfe elektromagnetischer Schwingungen, die in die Verdampferzone eingekoppelt werden, derart in Bewegung gebracht werden, dass sich kein zusammenhängender Gasfilm an der zu kühlenden Oberfläche des Verdampfers bilden kann. Im Gegensatz zum Verfahren gemäß Anspruch 1 werden hier anstelle von mechanischen Schwingungen elektromagnetische Schwingungen eingekoppelt.
Zur Durchführung dieser beiden Verfahren wird jeweils wenigstens ein Wandler benötigt, der eine elektromechanische bzw. eine elektromagnetische Schwingung erzeugt. Diese Wandler werden außen am Verdampfer des Zweiphasen-Kühlsystems angebracht, wobei kein konstruktiver Eingriff in den Verdampfer von Nöten ist. Da diese Wandler außerhalb des Verdampfers angebracht sind, können bestehende Zweiphasen-Kühlsysteme, bei denen die Gefahr einer Austrocknung gestiegen ist, nachgerüstet werden. Da insbesondere für den elektromechanischen Wandler handelsübliche Ultraschallwandler verwendet werden können, ist diese Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nicht nur aufwandsarm sondern auch sehr kostengünstig.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch veranschaulicht sind.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Thermosiphon, die
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Thermosiphon, und in der
Fig. 3 ist die Anwendung der Vorrichtung nach Fig. 1 bei einer flachen heatpipe dargestellt, wobei in der
Fig. 4 die Anwendung der Vorrichtung nach Fig. 1 bei einem Siedebadgefäß veranschaulicht ist.
In der Fig. 1 ist wegen der Übersichtlichkeit nur ein Verdampfer 2 eines Thermosiphons näher dargestellt. Gemäß der internationalen Offenlegungsschrift WO 99/60709 bzw. der US-Patentschrift 5,953,930 weist ein Thermosiphon-Kühlsystem einen Verdampfer, einen Kondenser und zwei Rohre 4 und 6 auf. Das Rohr 4 verbindet den Verdampfer 2 dampfseitig mit dem Kondenser der wiederum mittels des Rohres 6 flüssigkeitsseitig mit dem Verdampfer 2 verbunden ist. Eine Oberfläche 8 des Verdampfers 2 weist ein Leistungshalbleitermodul 10 auf, das mehrere Chips 12 beinhaltet. Von diesem Leistungshalbleitermodul 10 ist außerdem die Kupfer-Bodenplatte 14, eine gut wärmeleitende Isolierschicht 16 und das Modulgehäuse 18 dargestellt. Die vom Leistungshalbleitermodul 10 erzeugte Verlustleistung soll mit dem Verdampfer 2 des Thermosiphon- Kühlsystem abgeführt werden. Wie eingangs bereits erläutert, wird die Verdampfungswärme einer Arbeitsflüssigkeit 20, die mit der zu kühlenden Oberfläche 8 in Kontakt steht, genutzt, um die abzuführende Wärme aufzunehmen. Die entstehende Gasmenge wird in Form von Gasblasen 22 aus dem mit Flüssigkeit gefüllten Verdampfer 2 entfernt. Wenn im Bereich der zu kühlenden Oberfläche 8, die auch als Verdampferzone bezeichnet wird, bei hohen Leistungsdichten so viele Gasblasen 22 entstehen, die diese zu kühlende Oberfläche 8 zusammenhängend bedecken, so kann keine weitere Flüssigkeit in Kontakt mit der zu kühlenden Oberfläche 8 treten. D. h., diese zu kühlende Oberfläche 8 ist mit einem Gasfilm überzogen, wodurch die Gefahr einer Austrocknung besteht.
Um die Austrocknung zu verhindern, wird erfindungsgemäß wenigstens eine elektromechanische Schwingung im Ultraschallfrequenzbereich in die Verdampferzone des Verdampfers 2 eingekoppelt. Dazu ist wenigstens ein elektromechanischer Wandler 24 derart an den Verdampfer 2 angebracht, dass die eingekoppelten elektromechanischen Schwingungen die Flüssigkeit in der Verdampferzone derart in Bewegung versetzt, dass sich trotz hoher Blasenbildung kein zusammenhängender Gasfilm bilden kann. Als elektromechanischer Wandler 24 wird ein Ultra- schallwandler verwendet, der außen auf den Verdampfer 2 geklebt wird. Diese elektromechanischen Wandler 24 werden aus einer nicht näher dargestellten Einrichtung elektrisch angeregt.
In der Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls bei einem Thermosiphon-Kühlsystem dargestellt. In den Fig. 1 bis 4 sind gleiche Teile mit dem selben Bezugszeichen versehen. Gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1, ist die Arbeitsflüssigkeit 20 des Thermosiphon-Kühlsystems mit permanentmagnetischen Partikeln 26 derart angereichert, dass eine Suspension entsteht. Als permanentmagnetische Partikel 26 werden beispielsweise Ferritpartikel verwendet. Außerdem ist der elektromechanische Wandler 24 durch einen Wandler 28 zur Erzeugung eines zeitveränderlichen Magnetfeldes ersetzt worden. Dieses zeitveränderlich Magnetfeld wirkt derart auf die permanentmagnetischen Partikel 26, dass diese in Bewegung gebracht werden. Diese Bewegungen sind durch Pfeile an den Partikeln 26 veranschaulicht. Durch die zeitveränderlichen Bewegungen der Partikeln 26 wird in der Verdampfungszone dafür gesorgt, dass selbst bei einer erhöhten Blasenbildung sich kein zusammenhängender Gasfilm bilden kann.
Werden keine permanentmagnetischen Partikel 26, sondern irgendwelche Partikel verwendet, die selbstschwebend in der Arbeitsflüssigkeit 20 sind, so stellt sich die Wirkung wie zuvor beschrieben ebenfalls ein. Der Unterschied liegt darin, dass kein Wandler 28 mehr benötigt wird. Die Partikel werden nun durch die Bewegung der Dampfblasen 22 in Bewegung versetzt. Dieser Vorgang ist nun nicht mehr gezielt sondern von der Anzahl der Dampfblasen 22 und deren Bewegung abhängig. Zur Steuerung des Verfahrens zur Vermeidung eines Gasfilms in einer Verdampferzone dient die Anzahl der Partikeln in der Arbeitsflüssigkeit 20.
In der Fig. 3 ist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Vermeidung eines Gasfilms in einer Verdampferzone gemäß Fig. 1 bei einer flachen heatpipe 30 dargestellt. Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich gegenüber der Fig. 1 nicht geändert.
In der Fig. 4 ist die Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 1 bei einem Siedebadgefäß 32 veranschaulicht. Im Sonderdruck aus "Glasers Annalen", 109. Jahrgang, Heft 2/3, 1985, Seiten 103 bis 113, ist die Siedebadkühlung und verschiede Siedebadgefäße näher beschrieben, so dass an dieser Stelle darauf nicht näher eingegangen werden muss. Die zu kühlenden Leistungshalbleitermodule 10 sind zusammen mit Kühldosen 34 in einem Spannverband in der Arbeitsflüssigkeit 20 angeordnet. An diesen Kühldosen 34 entstehen die Gasblasen 22. Damit die Kühldosen 34 jeweils nicht mit einem zusammenhängenden Gasfilm überzogen werden, sind diese jeweils mit einem elektromechanischen Wandler 24 versehen. Mittels dieser Wandler 24 wird die Flüssigkeit in der Verdampferzone der Kühldose 34 jeweils derart in Bewegung gehalten, dass sich keine zusammenhängende Gasfilme bilden können.

Claims

1. Verfahren zur Vermeidung eines Gasfilms in einer Verdampferzone eines Zweiphasen-Kühlsystems, wobei mechanische Schwingungen im Ultraschallfrequenzbereich in diese Verdampferzone eingekoppelt werden.

2. Verfahren zur Vermeidung eines Gasfilms in einer Verdampferzone eines Zweiphasen-Kühlsystems, wobei die Arbeitsflüssigkeit (20) des Zweiphasen-Kühlsystems derart mit schwebenden Partikeln angereichert wird, dass eine Suspension entsteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2 mit permanentmagnetischen Partikeln (26), dadurch gekennzeichnet, dass diese Partikeln (26) durch zeitveränderliche Magnetfelder in Schwingung gebracht werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei einem Zweiphasen-Kühlsystem, dass innerhalb des geschlossenen Systems eine Verdampfer- und Kondenserzone aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein elektromechanischer Wandler (24) am Verdampfer (2) des Zweiphasen-Kühlsystems angebracht ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruchs 2 und 3 bei einem Zweiphasen-Kühlsystem, dass innerhalb des geschlossenen Systems eine Verdampfer- und Kondenserzone aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wandler (26) zur Erzeugung eines zeitveränderlichen Magnetfeldes am Verdampfer (2) des Zweiphasen- Kühlsystems angebracht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Wandler (24) ein Ultraschallwandler ist.

7. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 bei einem Thermosiphon.

8. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 bei einem Wärmerohr (30).

9. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 bei einem Siedebadgefäß (32).