Ziel der Entwicklung
Das Ziel der Entwicklung ist ein miniaturisierter Mikrokanalkühler. Die aktive Fläche beträgt zirka 50 mal 50 Millimeter. Die Entwicklung soll auf größere Flächen skalierbar sein. Erste Wahl ist ein Mikrokühler nach dem Prinzip eines Wärmerohres. Zu prüfen ist, ob es als Loop auszuführbar ist. Das Kühlelement soll aufgrund des geringen Materialbudgets nur eine Dicke von 200 Mikrometern aufweisen. Wegen des einfacheren Aufbaus wird eine kapillar gepumpte Lösung bevorzugt. Zusätzlich sind auf der Montagefläche für den zu kühlenden Schaltkreis Umverdrahtungsträger zu integrieren.
Der maximale Wärmestrom soll im Bereich 100 W/cm² bei hoher Temperaturdifferenz und bei einigen W/cm² bei geringer Temperaturdifferenz sein. Als Arbeitsmedium wird Wasser oder Aceton eingesetzt. Darüber hinaus kann auch CO2 eingesetzt werden. Ein Einsatz ist nur bis zum kritischen Punkt sinnvoll. Im Fall von Wasser liegt dieser bei 647,4 K und 220,5 bar, im Falle von CO2 bei 304,3 K und 73,8 bar Hierdurch ist ist auch die maximale Druckbelastung vorgegeben.
Neben der mikrotechnischen Umsetzung wird auch eine druckfeste fluidische Kontaktierung entwickelt. Bis 70 bar sind Standardlösungen vorhanden. Grundsätzlich sollen einschließlich der Sicherheitsfaktoren 400 bar erreicht werden.
Vorteile und Lösungen
In vielen Produkten werden heute bereits Wärmerohre eingesetzt, wie z.B. bei Grafikkarten insbesondere für hochdynamische Multimediaanwendungen. Diese stellen eine indirekte und passive Methode zur Flüssigkeitskühlung dar. Sie enthalten in einem hermetisch gekapselten Volumen, meist in Form eines Rohres, ein Arbeitsmedium (z. B. Wasser oder Ammoniak). Das Arbeitsmedium ist zu einem kleinen Teil in flüssigem, meist jedoch im dampfförmigen Zustand. An den Enden befinden sich je eine Wärmeübertragungsfläche für Wärmequellen und -senken. Wichtig ist nur, dass das Arbeitsmedium bei Wärmeeintrag an der Wärmequelle verdampft und an der Wärmesenke kondensiert. Dadurch wird über dem Flüssigkeitsspiegel der Druck im Dampfraum lokal erhöht, was zu einem geringen Druckgefälle innerhalb des Wärmerohrs führt. Der entstandene Dampf strömt deswegen in Richtung Kondensator, wo er wegen der niedrigeren Temperatur (Wärmesenke) kondensiert. Dabei wird die zuvor aufgenommene latente Wärme wieder abgegeben. Das nun flüssige Arbeitsmedium kehrt durch Schwerkraft (Thermosiphon) bzw. durch Kapillarkräfte (Heat Pipe) wieder zurück zum Verdampfer.
Eine Weiterentwicklung der Standard-Wärmerohre sind die Loop Heat Pipes (LHP). LHPs haben den Vorteil gegenüber herkömmlichen Wärmerohren, dass der Dampf- und Flüssigkeitsweg getrennt und sie daher leicht zu miniaturisieren sind. Dies ermöglicht eine deutlich bessere Leistung der Flüssigkeitsrückschleife.
Während die vorgestellten Varianten der Wärmerohre nur durch Kapillarkräfte betrieben werden, benötigen das „Microcannel couling“ Pumpen zur Aufrechterhaltung der Strömung. Es wird sowohl die Ein-Phasenströmung als auch die Zwei-Phasenströmung verwendet, wobei die letztere eine als Kondensator ausgelegte Wärmesenke benötigt.
Allen Mikrokühlelementen ist gemein, dass der Wärmeübertragungskoeffizient umgekehrt proportional zum hydraulischen Durchmesser ist. So können mit sehr kleinen Abmessungen sehr hohe Kühlraten erreicht werden. Mikrowärmenüberträger können so ca. das 1000-fache an flächenbezogener Wärmeenergie, im Vergleich eines Wärmeüberträgers mit makroskopischen Ausmaßen, übertragen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Das zur Vermarktung stehende Produkt ist ein kundenspezifischer Mikrokanalkühler mit optionalen Umverdrahtungsträgern. Die Anwendungen reichen von Kleinserien für Hochleistungssensoren mit integrierter Signalverarbeitung bis zu Computerprozessoren der neusten Generation. Besonderer Fokus wird auf Server und Hochleistungscomputer gelegt. Durch die hohe Anzahl und Packungsdichte von Prozessoren und die vermehrten wirtschaftlichen Betrachtungen des Energieverbrauchs sind diese Anwendungen besonders prädestiniert.
