DE602005001107T2 - Techniken für Mikrokanalkühlung - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Strömungsmechanik und Wärmetransport und insbesondere Techniken zur Handhabung von Wärme in integrierten Schaltkreisen und anderen Anwendungen.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Da Fortschritte in Halbleiter-, Laser- und Umrichtungstechnologien unweigerlich begleitet werden von höheren Leistungen und höheren Leistungsdichten, können solche Fortschritte nicht ausgenutzt werden ohne gleichzeitige Fortschritte in Technologien der Wärmehandhabung. Daher hat sich die Wärmehandhabung als ein vorrangiger einschränkender Designfaktor in elektronischen Systemen abgezeichnet.
  • Personalcomputer (PCs) stellen ein ausgezeichnetes Beispiel einer Herausforderung einer Wärmehandhabung bereit. Und zwar kann, bei heutigen Desktop-PCs, der durchschnittliche Wärmestrom größer als 150 Watt pro Quadratzentimeter betragen und in örtlichen Bereichen, oft als Hotspot bezeichnet, können wesentlich höhere Durchschnitte von Wärmeströmen auftreten, möglicherweise bis zu 500 Watt pro Quadratzentimeter.
  • Die Erforschung von Flüssigkeitskühlung in der Elektronik hat sich über die letzten zwei Jahrzehnte aufgrund von grundsätzlichen Beschränkungen der herkömmlichen (und universellen) Luftkühlweise entwickelt. Zum Beispiel werden bei Anwendungen wie bei Notebook-Computern, die oftmals eine räumliche Trennung der Wärmequelle von dem Kühlkörper erfordern, die Wärmeleitungen herkömmlich eingesetzt, um Wärme aufzunehmen, die von einer Wärmequelle erzeugt wird, sie zu transportieren und sie über den Grundkörper eines Kühlkörpers zu verteilen. Allerdings, da Wärmeleitungen passive Bauteile sind, die auf Oberflächenspannung angewiesen sind, um die Wärmetransportflüssigkeit zu zirkulieren, gibt es grundsätzliche Einschränkungen bei der Wärmemenge, die eine Wärmeleitung einer bestimmten Geometrie transportieren kann. Zum Beispiel wird bei vielen Anwendungen, z.B. Computerprozessoren und Hochfrequenztransistoren in Mobil funk-Basisstationen, die maximale Kapazität der Wärmeleitungen rasch erreicht oder überschritten.
  • Mikrokanalkühlung ist eine weitere Art der Flüssigkeitskühlung, die derzeit in Untersuchung ist. Aufgrund der außerordentlich hohen Wärmeübergangskoeffizienten in Verbindung mit Wärmetransport zu und von den Mikrokanälen, normalerweise größer oder gleich ungefähr 1 × 104 Watt pro Quadratmeter Kelvin (W/m2K), ist nur eine sehr kleine Temperaturdifferenz, z.B. nur bis zu ungefähr fünf Grad Celsius (°C), erforderlich, um den Wärmetransport zwischen den Flüssigkeiten, die durch die Mikrokanäle fließen, und einer benachbarten Wärmequelle oder einem Kühlkörper zu betreiben. Siehe zum Beispiel R.J. Philips, Microchannel Heat Sinks, 2 Advances in Thermal Modeling of Electronic Components and Systems, 109 bis 184 (1990), dessen Beschreibung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Der Wärmeübergangskoeffizient zeigt mengenmäßig an, welche Temperaturdifferenz zwischen einer Oberfläche und einer Flüssigkeit erforderlich ist, um einen bestimmten Wärmestrom (gemessen in Watt pro Quadratmeter) von der Oberfläche in die Flüssigkeit zu transportieren. Dies hat den deutlichen Vorteil, dass die Flüssigkeit nahe der Betriebstemperatur der Wärmequelle gehalten werden kann, was eine größere Temperaturdifferenz (treibende Kraft) für den Wärmetransport an die Umgebung ermöglicht, was behilflich ist, die Geometrie des Kühlkörpers zu minimieren.
  • Ein Problem mit herkömmlicher Mikrokanalkühlung ist jedoch, dass der Druckabfall in Verbindung mit dem Pumpen von Flüssigkeit durch einen Mikrokanal sehr hoch ist, da die Kanäle so klein sind. Demzufolge sind Pumpen mit höherer Leistung, die normalerweise größer, schwerer, teurer und aufwendiger sind, notwendig, um den Abfall zu überwinden. Ein weiteres Problem in Verbindung mit herkömmlicher Mikrokanalkühlung ist, dass die Effizienz des Wärmetransports an die Flüssigkeit entlang der Länge des Mikrokanals konstant bleibt. Und zwar bleibt die Temperaturdifferenz zwischen der Mikrokanalwand und der Flüssigkeit, die erforderlich ist, um einen bestimmten Wärmestrom in die Flüssigkeit zu transportieren, entlang der Länge des Mikrokanals konstant. Daher bleiben Hotspots auf der Wärmequelle (entsprechend örtlicher Bereiche von hohem Leistungsverlust) bei Temperaturen, die höher sind als andere Bereiche und bringen Wärmespannungen von dem daraus resultierenden Temperaturgefälle ein.
  • Die Verringerung der Hotspots ist ein erhebliches Problem, mit dem die Elektronikindustrie konfrontiert ist. Siehe zum Beispiel R. Viswanath et al., Thermal Performance Challenges from Silicon to Systems, INTEL TECH JOURNAL (August 2000), dessen Offenbarung hiermit durch Bezugnahme berücksichtigt ist. Das Resultat ist, dass in steigendem Maße Hotspot-Bereiche auf einem Rohchip sehr ortsgebunden sind und die Leistung eingrenzen, die durch die Elektronik abgeführt werden kann. Diese Einschränkungen begrenzen ferner die Funktionalität des Rohchips.
  • Deshalb sind verbesserte Technologien der Wärmehandhabung, die geeignet sind die steigenden Anforderungen für Wärmeabfuhr der Elektronikindustrie zu erfüllen, notwendig.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der vorliegen den Erfindung sind in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt, auf die der Leser nun verwiesen wird. Bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
  • Es werden Techniken des Wärmetransports bereitgestellt. In einer Hinsicht der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Wärmetransport bereitgestellt. Die Vorrichtung zum Wärmetransport weist einen oder mehrere Mikrokanäle, die geeignet sind, eine Wärmetransportflüssigkeit zu enthalten, einen oder mehrere Mikrokanäle, die hervorstehende Strukturen auf mindestens einer ihrer inneren Flächen aufweisen, die angeordnet sind, um den Strom der Wärmeübertragungsflüssigkeit durch den einen oder mehrere Mikrokanäle zu beeinflussen, auf. Die Strukturen können Stäbe mit einer wasserabweisenden Schicht aufweisen.
  • In einer erläuternden Ausführungsform, weisen die Stäbe Nanostäbe auf. Ferner können die Nanostäbe eine wasserabweisende Schicht erhalten, die extrem wasserabweisende Nanostrukturen bilden. Die Abmessung, Abstand und Zusammensetzung dieser extrem wasserabweisenden Nanostrukturen können abgestimmt werden, um einen Druckabfall in Verbindung mit dem Pumpen von Flüssigkeit durch die Mikrokanäle zu reduzieren, und/oder die Effizienz des Wärmetransports abzustimmen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Schaubild, das eine herkömmliche Vorrichtung zum Wärmetransport darstellt;
  • 2A bis B sind Schaubilder, die eine beispielhafte Anordnung einer Einzelmikrokanalvorrichtung darstellen, und die benutzt wird, um die Wirksamkeit von Strukturen zu demonstrieren, die angeordnet sind, um den Flüssigkeitsstrom in einem Mikrokanal zu beeinflussen;
  • 3 ist ein Schaubild, das ein beispielhaftes geschlossenes Mikrokanalkühlsystem darstellt;
  • 4A bis B sind Schaubilder, die eine beispielhafte Geometrie eines Mikrokanalkühlkörpers darstellt;
  • 5 ist ein Schaubild, das eine beispielhafte Anordnung von Mikrokanal-Nanostäben darstellt;
  • 6A bis C sind Abbildungen, die Variationen des Nanostababstands darstellen;
  • 7 ist ein Schaubild, das darstellt, wie extrem wasserabweisende Nanostrukturen das Geschwindigkeitsprofil einer Flüssigkeit beeinflussen können; und
  • 8 ist ein Schaubild, das eine beispielhafte Verfahrensweise zum Herstellen einer Wärmetransportvorrichtung darstellt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Bevor die erfinderischen Aspekte und Merkmale der vorliegenden Techniken beschrieben werden, wird zunächst eine herkömmliche Wärmetransportvorrichtung beschrieben werden. 1 ist ein Schaubild, das eine herkömmliche Wärmetransportvorrichtung darstellt. Wie in 1 dargestellt, weist die herkömmliche Wärmetransportvorrichtung 10 Kühlkörper 12, thermische Verbindungsmaterialien (TIMs) 14 und 15, Wärmeverteiler 16, Chip 18 (Wärmequelle) des integrierten Schaltkreises und Substrat 20 mit Kugelgitteranordnung (BGA) auf. Eine solche Wärmetransportvorrichtung kann beispielhaft eine Zentraleinheit (CPU) eines Personalcomputers aufweisen.
  • Der Wärmeverteiler 16 kann einen Block von hoch wärmeleitfähigem Material aufweisen, das umfasst, aber nicht beschränkt ist auf Kupfer oder einer Legierung davon. Alternativ kann der Wärmeverteiler 16 eine Verdampfungskammer aufweisen. Eine Verdampfungskammer ist eine flache, hohle Platte mit inneren Strukturen, die verursachen, dass sie wie eine Wärmeleitung funktioniert. Zum Beispiel kann der Wärmeverteiler 16, bei Geräten von höchster Leistung, z.B. mit 100 Watt Ausgang oder höher mit einer Verdampfungskammer gebaut sein (zum Beispiel eine rechteckige Wärmeleitung mit einem Querschnitt von einem Quadratzentimeter oder mehr, der das Meiste der Fläche des IC-Chips 18 abdeckt), um die thermische Impedanz, sowohl vertikal als auch quer, zu minimieren.
  • Der Kühlkörper 12 kann ein gerippter Kühlkörper sein und kann an dem Wärmeverteiler 16 befestigt und mit ihm thermisch verbunden sein, um Wärme in die Umgebungsluft abzuführen. Eine Schicht von TIM, z.B. TIM 15, ist normalerweise zwischen dem Wärmeverteiler 16 und dem Kühlkörper 12 vorhanden, allerdings kann der Kühlkörper 12 in dem Wärmeverteiler 16 integriert sein.
  • Der Kühlkörper 12 kann durch ein Gebläse gekühlt sein. Zum Beispiel kann, wenn der IC-Chip 18 eine CPU, eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU) oder andere Wärmequellen eines PC's aufweist, die Wärme, die durch die Wärmequelle erzeugt wird durch die TIMs 14 und 15, den Wärmeverteiler 16 und den Kühlkörper 12 geleitet werden und in die Umgebungsluft durch Konvektion übertragen werden.
  • Die 2A bis B sind Schaubilder, die eine beispielhafte Anordnung einer Einzelmikrokanalvorrichtung darstellen, die benutzt wird, um die Wirksamkeit von Strukturen zu demonstrieren, die angeordnet sind, um den Flüssigkeitsstrom in einem Mikrokanal zu beeinflussen.
  • In 2A weist die Wärmetransportvorrichtung 200 eine Wärmequelle 202 auf. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist Wärmequelle 202 einen IC, der z.B. an BGA-Substrat 204 befestigt ist, welches Lotperlen 206 und Kabelanschlüsse 208 aufweist, auf. Allerdings sind die hier aufgezeigten Lehren nicht auf diese oder irgendeine andere Anordnung einer Wärmequelle beschränkt. Zum Beispiel kann die Wärmequelle 202 ein verbleites Gehäuse aufweisen, das auf einer Leiterplatte befestigt ist. Beispiele von geeigneten Wärmequellen umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs), CPUs, GPUs, Grafikchips, feldprogrammierbare Gatterschaltungen (FPGAs), Laser und Leistungstransistoren.
  • Auf einer Seite der Wärmequelle 202, gegenüber dem BGA-Substrat 204, wird der Chipklebstoff 210 eingesetzt, um die Wärmequelle 202 an dem Mikrokanalkühlkörper 212 körperlich zu befestigen und thermisch anzukoppeln. Der Mikrokanalkühlkörper 212 weist ein oberes Teil 212U und ein unteres Teil 212L auf. Es ist wichtig anzumerken, dass die Benutzung des Chipklebstoffs 210 optional ist und andere geeignete Befestigungsverfahren eingesetzt werden können, welche umfassen, aber nicht eingeschränkt sind auf Löten. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist der Mikrokanalkühlkörper 212 mindestens einen im Wesentlichen rechteckigen Mikrokanal, z.B. Mikrokanal 213, auf, dessen Querschnittsfläche von ungefähr 50 bis 500 Mikrometern in der Länge und bis zu 500 Mikrometern in der Breite reicht. Gemäß dieser erläuternden Ausführungsform ist die Querschnittsfläche des Mikrokanals derart ausgebildet, dass das kürzeste Abmaß kleiner oder gleich ungefähr 500 Mikrometer sein muss, damit der Kanal als Mikrokanal betrachtet werden kann. Die Länge des Mikrokanals entlang der Richtung des Flüssigkeitsstroms ist willkürlich lang, abhängig von der bestimmten Anwendung. Der Mikrokanalkühlkörper 212 weist mehrere Strukturen 214 auf. Die Strukturen 214 ragen in den Mikrokanal 213 hinein und sind angeordnet, um den Flüssigkeitsstrom durch den Mikrokanalkühlkörper 212 zu beeinflussen. Zum Beispiel können die Strukturen 214 extrem wasserabweisende Nanostrukturen aufweisen. Wie ausführlich nachfolgend beschrieben wird, können die extrem wasserabweisenden Nanostrukturen Nanostäbe aufweisen, auf denen sich wasserabweisende Schichten befinden. Ferner können, wie ausführlich nachfolgend beschrieben wird, die extrem wasserabweisenden Nanostrukturen eingestellt oder anderweitig abgestimmt werden, um einen Druckabfall in Verbindung mit dem Pumpen von Flüssigkeit durch den Mikrokanal bei einer bestimmten Durchflussrate zu reduzieren und/oder die Wirksamkeit des Wärmetransports in bestimmten Bereichen einzustellen oder anderweitig abzustimmen.
  • Die Wärmetransportvorrichtung 200 weist ferner Flüssigkeitseinlässe/auslässe 218 und 220 auf, die im Flüssigkeitsaustausch mit Mikrokanal 213 sind, durch z.B. Luftkammer 222. Wie nachfolgend ausführlich beschrieben wird, kann die Wärmetransportflüssigkeit, z.B. Kühlmittel, die in der Wärmetransportvorrichtung 200 eingesetzt ist, alle Flüssigkeiten aufweisen, die geeignet sind, Wärme von einer Wärmequelle abzuleiten, welche umfassen, aber nicht eingeschränkt sind auf Wasser. Die Wärmetransportvorrichtung 200 weist ferner eine Klebstoffnaht 224 und ein Substrat 226 auf. Die Klebstoffnaht 224 verbindet den oberen Teil 212U und den unteren Teil 212L des Kühlkörpers 212. Substrat 226 kann ein Leiterplattenzwischenverbindungssubstrat sein.
  • Die Anordnung und Geometrie der Nanostäbe können verändert werden, um die Wärmeableitungskennzeichen des Systems einzustellen. Insbesondere können Änderungen in der Anordnung und der Geometrie der Nanostäbe benutzt werden, um Druckabfälle durch die Mikrokanäle zu minimieren und die Hotspots auf der Wärmequelle behandeln, z.B. durch Steuern des örtlichen Wärmewiderstands zwischen der Wärmequelle und der Wärmetransportflüssigkeit. Zum Beispiel sind die Strukturen 214 an der Position 216 im Mikrokanal 213 nicht vorhanden, um örtlich den Wärmetransport in diesem Bereich zu verbessern. Der Bereich der Wärmequelle 202 direkt unterhalb der Position 216 kann einen Hotspot aufweisen. Wie hier verwendet, betrifft der Ausdruck „Hotspot" einen Bereich auf z.B. einem IC-Chip, der ein höheres Niveau von Wärmestrom (im Vergleich zu anderen Bereichen des Chips) erzeugt. Zum Beispiel erzeugen Bereiche eines IC-Chips, die dicht gedrängte Gruppen von Transistoren enthalten, einen hohen Wärmestrom. In örtlichen Bereichen, wo der Wärmestrom auf dem Chip höher ist, kann der Wärmetransport zu der Flüssigkeit wirkungsvoller gemacht werden, derart, dass die Wärmequelle im Wesentlichen isotherm ist.
  • Gemäß der Lehren, die hier vorgestellt werden, wird der Ausdruck „isotherm" benutzt, um auf alle Teile einer Fläche eines Objekts, z.B. der Wärmequelle, hinzuweisen, die eine im Wesentlichen konstante Temperatur aufweisen. Zum Beispiel wird, bei einem Temperaturgefälle über eine Fläche der Wärmequelle von kleiner oder gleich ungefähr 5 Grad Celsius (°C), vorzugsweise kleiner oder gleich einem °C, die Wärmequelle hier als im Wesentlichen isotherm betrachtet. Auf diese Weise dient dieser Wärmeausgleich dazu, die Wärmequelle für den Betrieb auf der höchsten Durchschnittstemperatur, die normalerweise die beste Temperatur ist, zu halten. Ferner beseitigt der Wärmeausgleich thermische Spannungen auf der Wärmequelle und vereinfacht thermische Bauweisen. Ebenfalls können, ohne eine thermische Handhabung der Hotspots, Bereiche der Wärmequelle bei niedrigeren Wärmestromzuständen unnötigerweise bis unterhalb der minimalen Betriebstemperatur abgekühlt werden.
  • Bezüglich der Hotspots auf der Wärmequelle muss, wenn keine genaue räumliche Einstellmöglichkeit des Wärmetransports vorhanden ist, die Temperatur der eingesetzten Wärmetransportflüssigkeit reduziert werden, um ausreichende Kühlung der Hotspots mit den höchsten Temperaturen zu ermöglichen. Um die Temperatur der Wärmetransportflüssigkeit weiter zu reduzieren, müssen größere Kühlkörper eingesetzt werden. Größere Kühlkörper erfordern größere Gebläse, um ausreichende Kühlung bereitzustellen. Größere Gebläse sind lauter und brauchen mehr Platz. Ferner könnte der Einsatz eines größeren Kühlkörpers keine brauchbare Lösung sein, da bestimmte Bereiche der Wärmequelle unnötigerweise bis unterhalb der minimalen Wärmetransporttemperatur abgekühlt werden könnten. Mit genauer räumlichen Einstellbarkeit des Wärmetransports können allerdings im Wesentlichen isotherme Wärmequellen erreicht werden, die möglicherweise bei höheren Temperaturen als herkömmliche Baugruppen arbeiten können, was sich ausdrückt in kleineren luftseitigen Kühlkörpern und/oder Kühlgebläse, oder zu höheren Grenzen der Leistungsabführung bei derselben Größe von Kühlkörpern und/oder Kühlgebläsen. Auf diese Weise können die hier beschriebenen Techniken bei oder unterhalb der maximalen Anschlusstemperatur, die normalerweise kleiner als 125°C ist, eingesetzt werden.
  • 2B ist eine längsgerichtete Querschnittsansicht, die den unteren Teil 212L des Mikrokanalkühlkörpers 212 darstellt. Der untere Teil 212L des Mikrokanalkühlkörpers 212 enthält in sich mehrere Strukturen 214. Ferner sind, wie in 2A, die Strukturen 214 an der Position 216 nicht vorhanden, um den örtlichen Wärmetransport in diesem Bereich zu verbessern. Wie ausführlich nachfolgend beschrieben wird, können Bereiche der Mikrokanäle, die eine größere Dichte der extrem wasserabweisenden Nanostrukturen aufweisen, hergestellt werden, um weniger wirkungsvoll Wärme zu der Wärmetransportflüssigkeit von der Wärmequelle zu transportieren, z.B. im Vergleich zu Bereichen des Mikrokanals, in denen wenige oder keine extrem wasserabweisenden Nanostrukturen vorhanden sind (z.B. Position 216). Der Grund für diese Abweichung im Wärmetransport ist, dass hoch wirksamer Wärmetransport dort stattfindet, wo die Wärmetransportflüssigkeit in direkten Kontakt mit den Wänden der Mikrokanäle kommt. Im Vergleich dazu, wie im Zusammenhang mit der Beschreibung von 5 nachfolgend beschrieben wird, verhindert das Vorhandensein von Nanostäben, welche eine wasserabweisende Schicht aufweisen, das Berühren und Befeuchten der Wände des Mikrokanals, wo Nanostäbe vorhanden sind. Daher muss, wo wasserabweisende Nanostrukturen vorhanden sind, die Wärme durch die Nanostäbe selbst und durch eine Dampfschicht, die sich zwischen dem Wärmetransportflüssigkeitsstrom und den Wänden der Mikrokanäle befindet, geleitet werden, um die Wärmetransportflüssigkeit zu erreichen. Dies erhöht den Wärmewiderstand zwischen der Wärmequelle und der Flüssigkeit, wo die Nanostäbe vorhanden sind.
  • Die erfinderischen Techniken, wie hier beschrieben, umfassen ohne Einschränkung Ausführungsformen, die indirekte Flüssigkeitskühlung vorsehen und Ausführungsformen, die direkte Flüssigkeitskühlung vorsehen. Bei indirekter Flüssigkeitskühlung ist die Wärmetransportflüssigkeit in den Mikrokanälen körperlich von der Wärmequelle isoliert. Bei direkter Flüssigkeitskühlung kommt die Wärmetransportflüssigkeit in den Mikrokanälen direkt mit einer Oberfläche der Wärmequelle in Kontakt.
  • Die erläuternden Ausführungsformen benutzen extrem wasserabweisende Nanostrukturen, die Reibung und Wärmetransport über räumlich genaue und wählbare Teile eines Mikrokanals steuern. Ferner, wie obenstehend hervorgehoben, können die extrem wasserabweisenden Nanostrukturen Nanostäbe aufweisen, auf denen sich eine wasserabweisende Schicht befindet. Geeignete wasserabweisende Beschichtungen umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, fluorierte Polymere, die eine Struktur ähnlich Teflon aufweisen (wie beispielsweise Cytop, hergestellt von Asahi Glass Co., LTD in Tokio, Japan), amorphe, willkürliche Fluorkohlenwasserstoff-Materialien mit der allgemeinen Formel CFx und auf Silan basierende, selbstorganisierende Monoschichten (SAMs), hergestellt aus Clorsilan und/oder Alkoxysilan.
  • Die wasserabweisenden Schichten können auf die Nanostäbe als dünne Überzugsschicht durch jedes geeignete Anwendungsverfahren aufgebracht werden, welche umfassen, aber nicht eingeschränkt sind auf Sprühen, Rotationsbeschichten, Drucken, Eintauchen und chemische Aufdampfung (CVD). Zum Beispiel werden wasserabweisende Schichten, die fluorierte Polymere umfassen, normalerweise durch Rotationsbeschichten auf die Nanostäbe aufgebracht, gefolgt von einem Backvorgang, um übriges Lösungsmittel zu verdampfen und das Polymer auszuhärten. Diese fluorinierten Polymerschichten werden normalerweise auf eine Dicke von ungefähr 50 Nanometern (nm) aufgetragen. Wasserabweisende Schichten, die Fluorkohlenwasserstoff -Materialien umfassen und die allgemeine Formel CFx haben, werden normalerweise in einem chemischen Dampfbeschichtungsreaktor aufgetragen, wobei ein fluoriertes Kohlenwasserstoff-Versorgungsgas, wie CF4 benutzt wird. Diese Fluorkohlenwasserstoff-Materialien, die die allgemeine Formel CFx haben, werden normalerweise auf eine Dicke von ungefähr 30 nm aufgetragen. Wasserabweisende Schichten, die auf Silan basierende SAMs umfassen, werden normalerweise durch Eintauchen der Nanostäbe in eine Hexanlösung eines Silans (zum Beispiel Trimethylchlorsilan), gefolgt von einem Abspülen des nicht reagierten Materials, aufgetragen. Diese auf Silan basierenden SAMs werden normalerweise auf eine Dicke von ungefähr zwei bis fünf nm aufgetragen. Die hier aufgeführten Schichten ermöglichen dass Mikrokanalkühlung, die seit langem als eine der wirksamsten Arten des Wärmetransports zum Kühlen von Elektronikbauteilen bekannt ist, endlich kommerziell nutzbar ist, indem der normalerweise untragbar hohe Druckabfall durch die Mikrokanäle dramatisch reduziert wird.
  • In den erläuternden Ausführungsformen ist die maximale Rate von Wärme, die zu und von der Flüssigkeit in einem Mikrokanal transportiert werden kann, daher nur durch die Durchflussrate der Flüssigkeit, die durchgepumpt wird, eingeschränkt. Die Durchflussrate der Flüssigkeit (z.B. gemessen als Kilogramm pro Sekunde (kg/sec) oder Kubikmeter pro Sekunde (m3/sec)) durch die Mikrokanäle ist eine Funktion des Druckabfalls über dem Mikrokanal. Gemäß der vorliegenden Lehren, wird der Druckabfall durch einen Mikrokanal durch extrem wasserabweisende Nanostrukturen auf tragbare Werte reduziert. Flüssigkeitsdruckabfälle durch die Mikrokanäle können um 50 Prozent oder mehr reduziert werden. Dies ermöglicht, dass kleinere, leichtere, billigere und weniger aufwendige Pumpen benutzt werden können, um Flüssigkeit durch die Mikrokanäle zu pumpen, wobei weniger Pumpleistung verbraucht wird. Dieser Faktor ist besonders wichtig für den Raumbedarf in der Unterhaltungs- und Haushaltselektronik (z.B. Laptops), wo Gewicht, Leistung, Größe und Kosten sehr strikt sind.
  • 3 ist ein Schaubild, das ein beispielhaftes geschlossenes Mikrokanalkühlsystem darstellt. In 3 weist das Mikrokanalkühlsystem 300 die Mikrokanalkühlkörperanordnung 302 auf. Die Mikrokanalkühlkörperanordnung 302 weist eine Wärmequelle 302a (zum Beispiel ein IC-Chip, welcher Temperaturen von höher als ungefähr 100°C, zum Beispiel zwischen ungefähr 100°C bis ungefähr 125°C, erzeugen kann) und den Mikrokanalkühlkörper 302b, der mehrere Mikrokanäle 303 aufweist, auf. Das Mikrokanalkühlsystem 300 weist ferner den luftseitigen Kühlkörper 304 (flüssigkeitsmäßig mit der Mikrokanalkühlkörperanordnung 302 z.B. durch Flüssigkeitsleitung 306 verbunden) und die Flüssigkeitspumpe 308 (flüssigkeitsmäßig mit dem luftseitigen Kühlkörper 304 durch z.B. Flüssigkeitsleitung 310 verbunden). Die Flüssigkeitspumpe 308 wiederum ist mit der Mikrokanalkühlkörperanordnung 302 durch z.B. die Flüssigkeitsleitung 312 verbunden. Die Flüssigkeitsleitungen 306, 310 und 312 können Standardverrohrungen für Flüssigkeiten mit herkömmlich eingesetzten Längen und Durchmessern aufweisen. Ferner können sich ebenfalls, gemäß der beispielhaften Ausführungsform, eine oder mehrere der extrem wasserabweisenden Nanostrukturen innerhalb einer oder mehrerer der Flüssigkeitsleitungen 306, 310 und 312 befinden. Gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform kann dann die Querschnittsfläche der Rohrleitungen reduziert werden, da das Geschwindigkeitsprofil der Flüssigkeit, die durch die Rohrleitungen strömt, durch die Nanostrukturen geändert wird.
  • Der Mikrokanalkühlkörper 302b weist mehrere Mikrokanäle 303 auf, in diesem Falle 24 separate Kanäle, wobei einer oder mehrere desselben extrem wasserabweisenden Nanostrukturen auf einer oder mehreren ihrer Oberflächen (nicht dargestellt) aufweisen. Die Struktur eines Mikrokanalkühlkörpers wird ausführlich, zum Beispiel in Verbindung mit der Beschreibung der 4A bis B, nachfolgend beschrieben.
  • Der luftseitige Kühlkörper 304 weist ebenfalls den Kühlkörper 304a auf, der in sich mehrere Mikrokanäle 305 aufweist, von denen einer oder mehrere extrem wasserabweisende Nanostrukturen auf einer oder mehreren ihrer Oberflächen aufweisen (nicht dargestellt). Der luftseitige Kühlkörper 304 weist ferner wärmeabführende Rippen 304b auf.
  • Die Mikrokanäle 305 stellen effiziente Wärmeverteilung und Wärmetransport an die wärmeabführenden Rippen 304b sicher. Allerdings ist das Vorhandensein der Mikrokanäle 305 auf dem luftseitigen Kühlkörper 304 nicht erforderlich, wenn sich der luftseitige Kühlkörper nicht in einer Umgebung mit begrenztem Raum befindet und größer gemacht werden kann, um einen größeren Umfang an Wärmeabführung zu bewerkstelligen. Daher weist der luftseitige Kühlkörper 304, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, keine Mikrokanäle auf.
  • Die Flüssigkeitspumpe 308 kann z.B. jedes geeignete, handelsüblich erhältliche Flüssigkeitspumpengerät umfassen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist die Flüssigkeitspumpe 308 mehrere handelsüblich erhältlichen Flüssigkeitspumpen auf, die parallel geschaltet arbeiten, z.B. um die nötigen Druckanforderungen zum Pumpen der Wärmetransportflüssigkeit durch die Mikrokanäle zu erfüllen. Geeignete, handelsüblich erhältliche Pumpen werden zum Beispiel von Mesoscopic Devices, LLC in Broomfield, Colorado, hergestellt.
  • Gemäß der beispielhaften Ausführungsform, dargestellt in 3, wird Wärme, die von der Wärmequelle 302a abgeführt wird, an eine Wärmetransportflüssigkeit, die durch die Bauteile und Rohrleitungen des Mikrokanalkühlsystems 300 strömt, geleitet. Die Wärmetransportflüssigkeit, die in die Mikrokanalkühlkörperanordnung 302 eintritt, muss eine Temperatur aufweisen, die niedriger ist als die Temperatur an der Wärmequelle 302a, damit Wärme an sie abgeführt werden kann. Wenn zum Beispiel die Temperatur an der Wärmequelle 302a 65°C beträgt und die Temperatur der Wärmetransportflüssigkeit 61°C beträgt (wobei die Richtung des Stroms derart ist, dass die Wärmetransportflüssigkeit, die in die Mikrokanalkühlkörperanordnung 302 eintritt, gekühlt wurde, z.B. indem sie durch die Mikrokanäle 305 des luftseitigen Kühlkörpers 304 durchgelaufen ist), wird die Wärme dann von der Wärmequelle 302a an die Wärmetransportflüssigkeit übergehen. Es ist wichtig zu vermerken, dass die Betriebstemperaturen, die hier festgelegt werden, lediglich beispielhaft sind und die hier vorgestellten Lehren nicht auf irgendwelche bestimmten Temperaturwerte eingeschränkt werden sollten.
  • Es wird eine Erwärmung der Flüssigkeit am Mikrokanalkühlkörper 302b stattfinden, wobei die Wärmetransportflüssigkeit um ungefähr ein °C (und möglicherweise bis zu fünf °C) erwärmt wird. Daher kann die Flüssigkeit, die durch die Flüssigkeitsleitung 306 strömt, nachdem sie durch die Mikrokanalkühlkörperanordnung 302 geströmt ist, eine Temperatur von ungefähr 64°C aufweisen. Nur sehr wenig Abkühlung wird in einer der Flüssigkeitsleitungen stattfinden.
  • Der Hauptanteil der Kühlung wird stattfinden, wenn die Wärmetransportflüssigkeit durch die Mikrokanäle 305 der luftseitigen Kühlkörper 304 strömt. Zum Beispiel kann dort die Temperatur der Wärmetransportflüssigkeit um ungefähr drei °C reduziert werden. Daher beträgt die Temperatur der Flüssigkeit, die den luftseitigen Kühlkörper 304 verlässt, ungefähr 61°C (dieselbe Temperatur, bei der die Wärmetransportflüssigkeit in die Mikrokanalkühlkörperanordnung 302 eintritt).
  • Gemäß der beispielhaften Ausführungsform, dargestellt in 3, sind zwei Kühlkörper erforderlich, einer auf der Seite der Wärmequelle und einer auf der Luftseite des Systems. Dies stellt sicher, dass Wärme von der Wärmequelle zu der Wärmetransportflüssigkeit und von der Wärmetransportflüssigkeit zu dem luftseitigen Kühlkörper mit minimalen Temperaturunterschieden übertragen wird. Dies maximiert den vorhandenen Temperaturunterschied, z.B. zwischen der Temperatur des luftseitigen Kühlkörpers und der Temperatur der Umgebungsluft. Das Maximieren des vorhandenen Temperaturunterschiedes zwischen der Temperatur der Umgebungsluft und der Temperatur des luftseitigen Kühlkörpers wiederum minimiert das erforderliche luftseitige Kühlkörpervolumen.
  • Wasser wurde als Wärmetransportflüssigkeit in den erläuternden Ausführungsformen gewählt, weil seine hohe spezifische Wärme die nötigen Durchflussraten minimiert. Der maximale Sättigungsdruck der Wärmetransportflüssigkeit, z.B. Wasser, in dem geschlossenen System, dargestellt in 3, tritt bei der maximalen Temperatur in dem System (z.B. 65°C) auf und entspricht 0,25 Atmosphären (atm). Allerdings, wie vorangehend angegeben, können andere Flüssigkeiten benutzt werden.
  • Ferner wird, da der statische Druck innerhalb des geschlossenen Systems normalerweise 0,25 atm überschreitet, das Wasser in diesem Beispiel in einem flüssigen Zustand sein. Zusätzlich können Zwei-Phasen-Systeme benutzt werden, um die erforderliche Durchflussrate der Wärmetransportflüssigkeit zu reduzieren. Eine solche Ausführung kann Gaskompression auf hohen Druck und zusätzliche Arbeitsleistung, die letztlich als Wärme durch den luftseitigen Kühlkörper abgeführt wird, erfordern. Bei Anwendungen mit direkter Flüssigkeitskühlung werden, wie ausführlich nachfolgend beschrieben, Flüssigkeitsbetriebstemperaturen von über 100°C erwartet, da die Flüssigkeit die Wärmequelle direkt berührt, und daher kann Zwei-Phasen-Flüssigkeitskühlung, mit Wasser als Wärmetransportflüssigkeit, vorteilhaft sein.
  • In dem erläuternden Beispiel, dargestellt in 3, wird angenommen, dass die maximale Temperatur der Luft, die über die Mikrokanalkühlkörperanordnung gelenkt wird, ungefähr 45°C beträgt, was ein realistischer Wert für Anwendungen in der Unterhaltungs- und Haushaltselektronik ist. Wie es oft der Fall ist, ist die Antriebskraft der Temperatur für den Wärmetransport von dem luftseitigen Kühlkörper zu der Umgebungsluft sehr klein, in diesem Falle nur 20°C. Deshalb ist es wichtig, dass so wenig wie möglich von diesen 20°C Temperaturunterschied erforderlich ist, um die Wärmebelastung von der Mikrokanalkühlkörperanordnung in die Wärmetransportflüssigkeit und von der Wärmetransportflüssigkeit zu den wärmeabführenden Rippen auf dem luftseitigen Kühlkörper zu übertragen, um so die Größe des luftseitigen Kühlkörpers und/oder die Gebläse, die benutzt werden, um den luftseitigen Kühlkörper zu kühlen, zu minimieren.
  • Die Durchflussrate von Wasser, die erforderlich ist, um zum Beispiel 150 Watt bei einem Temperaturanstieg von 3°C aufzunehmen, ist 717 Milliliter pro Minute (ml/min), was nicht eine untragbar hohe Durchflussrate darstellt. Kleine handelsüblich erhältliche Pumpen, wenn sie parallelgeschaltet arbeiten, würden nur 45 Kubikzentimeter (cm3) Gesamtraum erfordern und würden ungefähr drei Watt Gesamtleistung verbrauchen, um über 900 ml/min Wasser bei einem Druck von zwei Bar zu liefern. Die Verkleinerung solcher Pumpen wird in der Industrie fortgesetzt.
  • Außerdem erreichen Pumpen fortschreitend höhere Betriebspunkte für Druck und Durchflussrate. Wie in 3 dargestellt und obenstehend beschrieben, unter der Annahme dass die Wärmetransportflüssigkeit in die Mikrokanalkühlkörperanordnung bei 61°C eintritt, die Mikrokanalkühlkörperanordnung bei 64°C verlässt und die Temperatur der Wärmequelle 65°C beträgt, stehen ein bis vier °C zur Verfügung, um die Wärme von der Wärmequelle in die Wärmetransportflüssigkeit zu übertragen. Daher können, mit einem kleinstmöglichen Druckabfall, die Mikrokanäle optimiert werden, um eine große Wärmemenge mit entsprechend kleiner Antriebskraft für den Wärmetransport (z.B. ein bis vier °C) zu übertragen.
  • Die 4A bis B sind Schaubilder, die eine beispielhafte Kühlkörpergeometrie darstellen. Die Mikrokanalkühlkörper, die in den 4A bis B dargestellt werden, sind den Mikrokanalkühlkörpern, die obenstehend beschrieben werden ähnlich, z.B. dem Mikrokanalkühlkörper 302b, beschrieben in Verbindung mit der obenstehenden Beschreibung der 3.
  • Die 4A stellt die Abmessungen von Breite a, Höhe b und Abstand s einer beispielhaften Mikrokanalkühlkörperanordnung dar. In 4A weist die Mikrokanalkühlkörperanordnung 400 Mikrokanalkühlkörpergehäuse 402, Mikrokanäle 404, Lotschicht 406 und die integrierte Wärmequelle 408 auf. In dieser Ausführungsform weisen die Mikrokanäle 404 mehrere der extrem wasserabweisenden Nanostrukturen auf einer oder mehreren ihrer Oberflächen (nicht dargestellt) auf. Abbildungen solcher extrem wasserabweisenden Nanostrukturen werden zum Beispiel in 5 und den 6A bis C dargestellt und werden ausführlich nachfolgend beschrieben.
  • Das Mikrokanalkühlkörpergehäuse 402 kann ein Material aufweisen, das aus der Gruppe gewählt ist, die Kupfer, Silikon und Kombinationen, die mindestens eines der vorangehenden Materialien aufweist, enthält. Ferner weist die integrierte Wärmequelle 408 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eine Wärmequelle von 65°C, 160 Watt auf.
  • 4B stellt die Abmessungen von Höhe b, Tiefe c und Abstand s einer beispielhaften Mikrokanalelementarzelle dar, z.B. von zwei benachbarten Mikrokanälen 404, die durch eine Rippe des Mikrokanalkühlkörpergehäuses 402 getrennt sind. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform sind die Wände des Mikrokanalkühlkörpergehäuses 402 ausgebildet als wärmeleitfähige Rippen, um Wärme zu der Wärmetransportflüssigkeit in den Mikrokanälen 404 zu übertragen.
  • Ferner kann, gemäß einer beispielhaften Ausführungs form, das Nanostabmaterial geändert werden, um die Wärmeleitfähigkeit der Nanostäbe zu ändern. Nur als Beispiel, wenn die Nanostäbe Silizium enthalten, sind sie wärmeleitfähig. Allerdings wird, wenn das Silizium oxidiert, um Siliziumdioxid zu bilden, die Wärmetransporteffizienz der Nanostäbe geändert, da Siliziumdioxid ein schlechterer Wärmeleiter ist als Silizium. Zum Beispiel ist die Wärmeleitfähigkeit von polykristallinem Siliziumdioxid (Kieselglas) 1,38 Watt pro Meter Kelvin (W/m–K) gegenüber 180 W/m–K für Silizium. Wärmetransporteffizienz wird nachfolgend in Verbindung mit der Beschreibung des Newton'schen Gesetzes der Kühlung beschrieben.
  • Eine Anzahl von Faktoren müssen berücksichtigt werden, wenn die Anzahl n der Mikrokanäle, deren Geometrie, Z.B. Breite a, Höhe b, Tiefe c und Abstand s und deren Zusammensetzung optimiert werden. Bei herkömmlicher Mikrokanal-Kühltechnologie gibt es eine wichtige Austauschbeziehung zwischen Wärmeaustausch und Druckabfall durch jeden Mikrokanal. Demnach steigt der Wärmeübertragungskoeffizient stark mit abnehmendem hydraulischem Durchmesser der herkömmlichen Mikrokanäle (im Wesentlichen ihrer Breite) auf Kosten eines erhöhten Druckabfalls. Zum Beispiel ist der Druckabfall, der einer bestimmten Durchflussrate von Flüssigkeit für einen voll entwickelten laminaren Strom durch einen Mikrokanal entspricht, ungefähr umgekehrt proportional zu der dritten Potenz des hydraulischen Durchmessers des Mikrokanals. Der hydraulische Durchmesser des Mikrokanals ist gleich groß wie seine Querschnittsfläche dividiert durch seinen befeuchteten Umfang, z.B. zweimal dem Abstand zwischen den Mikrokanalwänden in 4A.
  • Allerdings werden, wie obenstehend hervorgehoben, Nanostäbe mit wasserabweisenden Schichten eingesetzt, um den Druckabfall im Zusammenhang mit dem Flüssigkeitsstrom durch die Mikrokanäle zu mindern, z.B. durch Minimieren des Stromwiderstandes. 5 ist ein Schaubild, das eine beispielhafte Nanostabanordnung im Mikrokanal darstellt. Und zwar sind in 5 die Nanostäbe 502 (z.B. zylindrische Stäbe mit einer Querschnittsfläche 503), die auf sich eine wasserabweisende Schicht aufweisen, fest mit einer festen Basis 504, z.B. einer Mikrokanalwand, verbunden. Wie ausführlich nachfolgend beschrieben wird, werden nur die Spitzen 502a der Nanostäbe 502 durch die Wärmetransportflüssigkeit 506, z.B. beim Durchströmen durch den Mikrokanal, befeuchtet. Wie weiter ausführlich nachfolgend beschrieben wird, können Faktoren wie der Abstand der Nanostäbe ebenfalls den Flüssigkeitsstrom durch die Mikrokanäle beeinflussen.
  • In 5 ist der örtliche Berührungswinkel 510 zwischen der Wärmetransportflüssigkeit 506 und den Nanostäben 502 größer als 90 Grad. Demnach befeuchtet die Wärmetransportflüssigkeit nicht zwischen den Nanostäben, d.h. die Mikrokanalwand ist extrem wasserabweisend. Folgedessen gilt die herkömmliche No-Slip-Grenzbedingung (Null Geschwindigkeit) nicht entlang der Wand des Mikrokanals. Die normale No-Slip-Grenzbedingung für Flüssigkeitsgeschwindigkeit gilt nur an den Spitzen 502a der Nanostäbe 502, die extrem klein sind, z.B. belegen sie nur bis zu einem Prozent der Oberfläche des Mikrokanals. Der Ausdruck „No-Slip-Grenzbedingung" bedeutet, dass in einem Bereich, wo eine Flüssigkeit in Kontakt mit einem Festkörper ist, die Flüssigkeitsgeschwindigkeit gegen Null strebt. Zum Beispiel kann Flüssigkeit nicht über eine feste Oberfläche „rutschen", allerdings kann eine Flüssigkeit über eine Flüssigkeits-Luft-Berührungsfläche rutschen.
  • Sonst gilt überall, z.B. für größer oder gleich ungefähr 99 Prozent der Oberfläche des Mikrokanals eine Slip-Grenzbedingung, da Oberflächenspannung verhindert, dass die Wärmetransportflüssigkeit 506 die Wände der Mikrokanäle befeuchtet. Diese Oberflächenspannungsbedingung der Wärmetransportflüssigkeit 506 wird in 5 durch die konkaven Senken der Wärmetransportflüssigkeit 506, die sich zwischen den Spitzen 502a der Nanostäbe 502 befindet, dargestellt. Wie in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung der 6A bis C beschrieben wird, können die Nanostäbe abgeändert werden. Computersimulationen haben gezeigt, dass Anordnungen von Nanostäben die Durchflussrate für einen bestimmten Druckabfall um bis zu ungefähr 200 Prozent steigern können, ohne den Wärmetransport nachteilig zu beeinflussen. Dies ermöglicht, dass Mikrokanalkühlung eingesetzt werden kann, ohne dass unrealistisch große Pumpen eingesetzt werden müssen, die zuviel Leistung abfordern.
  • Durch räumliches Ändern der Dichte und der Durchmesser der Nanostäbe kann das Reibungsfaktor- (z.B. Druckabfall) Profil entlang eines Mikrokanals eingestellt werden. Tatsächlich kann, gemäß der Lehren, die hier vorgestellt werden, der Druckabfall um bis zu 50 Prozent oder mehr durch die Mikrokanäle bei einer festen Durchflussrate der Flüssigkeit reduziert werden.
  • Ferner können der Nanostababstand und das wasserabweisende Beschichtungsmaterial derart gewählt werden, dass es aufgrund der Oberflächenspannung der Wärmetransportflüssigkeit energieseitig unvorteilhaft für die Flüssigkeit ist, in den Raum zwischen den Nanostäben einzuwässern. Siehe zum Beispiel Krupenkin et al., From Rolling Ball to Complete Wettin: the Dynamic Tuning of Liquids an Nanostructures Surfaces, 20 LANGMUIR 3824 (2004), dessen Offenbarung hiermit durch Bezugnahme berücksichtigt ist. Wie obenstehend beschrieben wird, ist in Anordnungen, wo die Nanostäbe nur ungefähr ein Prozent der Oberfläche des Mikrokanals umfassen, die Flüssigkeit vorrangig in Kontakt mit der dünnen Schicht von Luft und Wasserdampf, die den Groß teil der Wärmetransportflüssigkeit von der Mikrokanalwand trennt. Diese bestimmte Anordnung erlaubt der Wärmetransportflüssigkeit leichter durch den Mikrokanal zu strömen, da die Wärmetransportflüssigkeit einen minimalen Strömungswiderstand von der benachbarten Luftschicht aufgrund ihrer niedrigen Viskosität erfährt. Dies ist im Widerspiel mit der geringen Menge von Flüssigkeit, die in Kontakt mit den Nanostäben ist, welche einen erheblichen Strömungswiderstand erfährt aufgrund der Haftung der Flüssigkeitspartikel an der unverformbaren Oberfläche der Nanostäbe.
  • Die Anordnung, dargestellt in 5, kann mit einer „No-Slip-Grenzbedingung" verglichen werden. Daher ist, gemäß der Anordnung, dargestellt in 5, die Flüssigkeitsgrenze an einer Flüssigkeits-Luft-Zwischenschicht (mit Ausnahme der minimalen Fläche, die den Spitzen der Nanostäbe entspricht).
  • Die 6A bis C sind Abbildungen, die Abwandlungen im Nanostababstand darstellen. Die in 6A–C dargestellten Nanostäbe haben alle den gleichen Durchmesser. Gemäß eine erläuternden Ausführungsform, weisen die Nanostäbe einen Durchmesser von bis zu 400 nm auf. Ferner kann, gemäß der hier vorgestellten Lehren, der Abstand der Nanostäbe eingestellt werden, derart, dass bei höheren Temperaturen die Wärmetransportflüssigkeit in die Nanostäbe eindringt und die Mikrokanalwand/wände befeuchtet, vorrangig weil Änderungen in der Oberflächenspannung der Flüssigkeit den Berührungswinkel mit den Nanostäben auf weniger als 90 Grad fallen lassen. Die Nanostäbe, dargestellt in 6B, haben einen größeren Abstand als die, die in 6A dargestellt werden. Die Nanostäbe, dargestellt in 6C, haben einen größeren Abstand als die, die in 6B dargestellt werden. Als Referenz wird ein Maßstab von drei Mikrometern in jeder der 6A bis B bereitgestellt und ein Maßstab von fünf Mikrometern wird in 6C bereitgestellt.
  • Nanostabgeometrie wird ferner beschrieben in US-Patentanmeldung Serien Nr. 10/403,159 mit dem Titel „Method and Apparatus for Controlling the Movement of a Liquid an a Nanostructured Surface or Microstructured Surface", US-Patentanmeldung Serien Nr. 10/649,285 mit dem Titel "Method and Apparatus for Controlling Friction Between a Fluid and a Body" und US-Patentanmeldung Serien Nr. 10/674,448 mit dem Titel "Method and Apparatus for Controlling the Flow Resistance of a Fluid on Nanostructured or Microstructured Surfaces", deren Offenbarungen hiermit durch Bezugnahme berücksichtigt sind. Es versteht sich ferner, dass die hier vorgestellten Lehren dahin auszulegen sind, dass sie insbesondere auf jede extrem wasserabweisende Nanostruktur beschränkt sind. Zum Beispiel können extrem wasserabweisende Nanostrukturen durchgehend rechteckige Strukturen aufweisen, die sowohl in längsgerichtet als auch quergerichtet durch die Mikrokanäle laufen.
  • 7 ist ein Schaubild, das darstellt, wie extrem wasserabweisende Nanostrukturen das Geschwindigkeitsprofil einer Flüssigkeit beeinflussen können.
  • In 7 verursachen extrem wasserabweisende Nanostrukturen 702 auf der inneren Oberfläche der Rohrleitung 704 (gegenüber Rohrleitung 705, die keine extrem wasserabweisenden Nanostrukturen aufweist) dass ein parabelförmiges Profil 706 durch einen reibungsarmen, stopfenartigen Strom 708 ersetzt wird. Es ist wichtig zu vermerken, dass die Darstellungen in 7 lediglich beispielhafte Darstellungen sind, die zeigen, wie sich die Strömung durch extrem wasserabweisende Nanostrukturen ändert, und es versteht sich, dass andere Strömungsmuster erreicht werden könnten, mit z.B. unterschiedlichen Kanälen.
  • Wie obenstehend erwähnt, geht der Wärmetransport von den Wänden des Mikrokanals zu der Wärmetransportflüssigkeit vorherrschend durch die Nanostäbe, aufgrund des vergleichsweise hohen Widerstands gegen Wärmeleitung, der durch die Schichten von z.B. Wasserdampf, die thermisch parallel zu den Nanostäben laufen, vorhanden ist, insbesondere wenn die Nanostäbe eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit haben, z.B. größer oder gleich ungefähr die 7.000 fache von Luft (z.B. wenn sie aus Kupfer, Silizium, Aluminium, Wolfram oder deren Legierungen hergestellt sind). In einer beispielhaften Ausführungsform weisen die Nanostäbe eine Wolfram-Kupfer-Legierung auf, die einen Ausdehnungskoeffizienten ähnlich wie Silizium besitzt. Ferner können die Nanostäbe ein fluoriertes Polymer-Material aufweisen, das zum Beispiel, wenn es mit den wasserabweisenden Schichten, wie obenstehend beschrieben, kombiniert wird, vollständige polymere, extrem wasserabweisende Nanostrukturen erzeugt.
  • Zum Beispiel besitzt Silizium eine Wärmeleitfähigkeit von 180 W/m–K, während Luft eine Leitfähigkeit von 0,026 W/m–K besitzt. Wenn die Nanostäbe ein Prozent der Fläche der Mikrokanaloberfläche belegen und Luft deckt die anderen 99 Prozent ab, dann entspricht der Leitwert der Nanostäbe dem einer gleichmäßigen Schicht mit einer Leitfähigkeit von 1,8 W/m–K, welcher um den Faktor 69 größer ist als der Leitwert einer Luftschicht. In diesem Beispiel ist die Wärmeübertragung durch die Luftschicht geringfügig. Das Ergebnis ist unabhängig von der Höhe der Nanostäbe. Die Höhe der Nanostäbe bestimmt die absolute Größe des thermischen Widerstands. Wenn zum Beispiel der Nanostab Silizium aufweist und eine Höhe von zwei Mikrometern hat, dann ist der thermische Widerstand einer Einheitsfläche von einem Quadratzentimeter 2 × 10–6 m/[1,8 W/m–K·(0,01 m)2] = 0,0011°C/W. Dies ist ein sehr niedriger Wert. Wenn allerdings die Nanostäbe aus Siliziumdioxid (Leitfähigkeit 1,38 W/m–K) hergestellt sind, zehn Mikrometer hoch sind und 0,1 Prozent der Fläche abdecken, dann haben sie einen effektiven Leitwert einer gleichmäßigen Schicht mit der Leitfähigkeit von 0,001·1,4 W/m–K = 0,0014 W/m–K. In diesem Falle ist die Wärmeleitung durch die Nanostäbe geringfügig und die Struktur verhält sich thermisch ähnlich wie eine Luftschicht, deren thermischer Widerstand ungefähr 10 × 10–6 m/[0,026 W/m–K·(0,01 m)2 = 3,8°C/W, da der thermische Widerstand der Luftschicht klein ist im Vergleich zu dem durch die Nanostäbe. Dies ist ein sehr hoher Wert. Daher kann, durch Ändern von Abstand, Länge und Zusammensetzung der Nanostäbe an verschiedenen Standorten, der thermische Widerstand räumlich eingestellt werden für einen Wärmeausgleich von Hotspots.
  • Um die Effizienz des Wärmetransports weiter zu maximieren, sollte die thermische Verbindung zwischen der Wärmequelle und dem Mikrokanalkühlkörper, z.B. Wärmequelle 302a und Mikrokanalkühlkörper 302b der Mikrokanalkühlkörperanordnung 302 von 3, wie obenstehend beschrieben, optimiert werden. Verträgliche Leiter (z.B. Lot), geeignete Oberflächenbedingungen, Materialien mit angepassten Ausdehnungen und fortschrittliche Montagetechniken können eingesetzt werden, um niedrige Wärmewiderstandswerte über eine zuverlässige Trennfuge zu erreichen.
  • Im Vergleich ist Wärmetransport und Wärmeverteilung im Grundkörper des luftseitigen Kühlkörpers, z.B. des luftseitigen Kühlkörpers 304, der die Mikrokanäle 305 und wärmeabführenden Rippen 304b von 3, wie obenstehend beschrieben, aufweist, beträchtlich unterschiedlich. Zum Beispiel können, aufgrund dessen, dass der luftseitige Kühlkörper einen größeren Flächenbedarf aufweist, z.B. im Vergleich zu der Mikrokanalkühlkörperanordnung, sehr viel mehr Mikrokanäle, die eine viel größere Oberfläche aufweisen, eingesetzt werden.
  • In herkömmlichen Mikrokanalsystemen ist es entscheidend, dass Mikrokanäle nur dort eingesetzt werden, wo extrem effizienter Wärmetransport notwendig ist, aufgrund des damit zusammenhängenden hohen Druckabfalls. Allerdings ist dies angesichts der Lehren der vorliegenden Erfindung nicht länger der Fall. Und zwar mindert das Einsetzen von Nanostäben mit wasserabweisenden Schichten in den Mikrokanälen den Druckabfall im Zusammenhang mit den Mikrokanälen. Zum Beispiel wäre, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, der Gesamtdruckabfall im Zusammenhang mit dem Transportieren der Wärmetransportflüssigkeit, wobei die Wärmetransportflüssigkeit Wasser ist, durch das gesamte System weniger oder gleich ungefähr fünf atm, vorzugsweise weniger oder gleich ungefähr eine atm, wobei dies mehr ist als eine Reduktion des Druckabfalls um 1/3 im Vergleich zu herkömmlichen Mikrokanälen.
  • Ferner sind, wie zum Beispiel in Verbindung mit der obenstehenden Beschreibung der 3 beschrieben wurde, die Wärmetransportbauteile des Mikrokanalkühlsystems 300 flüssigkeitsseitig durch die Flüssigkeitsleitungen 306, 310 und 312 verbunden, die vorteilhafterweise erlauben, dass jedes Bauteil unabhängig beobachtet und optimiert werden kann. Allerdings kann, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eine einzelne, kompakte, monolithische thermische Lösung ebenfalls eingesetzt werden, z.B. durch Zusammenfassen von sowohl der Mikrokanalkühlkörperanordnung als auch der luftseitigen Kühlkörpers und vielleicht auch der Flüssigkeitspumpe in eine einzelne Einheit, welche die Installation vereinfacht und den Raumbedarf minimiert.
  • Im Vergleich zu den obenstehend vorgestellten indirekten Flüssigkeitskühltechniken, können die vorliegenden Lehren ebenfalls für direkte Flüssigkeitskühlung eingesetzt werden. Zum Beispiel können die vorliegenden Techniken eingesetzt werden, um Wärmequellen zu kühlen, die integrierte Mikrokanäle mit extrem wasserabweisenden Nanostrukturen oder anderen Strukturen, die den Flüssigkeitsstrom beeinflussen, in sich aufweisen.
  • Eine solche direkte Flüssigkeitskühlung reduziert den Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und dem zugehörigen Kühlkörper dramatisch. Außerdem erlaubt direkte Kühlung eine Hotspot-Minderung auf Siliziumchips, was in steigendem Maße für die Handhabung des gesamten Wärmehaushalts wichtiger wird. Siehe, zum Beispiel, R. Mahajan et al., Emerging Directions for Packaging Technologies, INTEL TECH JOURNAL (May, 2002), dessen Offenbarung hiermit durch Bezugnahme berücksichtigt ist.
  • Die thermischen Widerstände zwischen dem Chip und der Baugruppe und zwischen der Baugruppe und der Umgebungsluft treten in Serien auf. Deshalb kann es am vorteilhaftesten sein, sich auf die thermische Schnittstelle zwischen dem Chip und der Baugruppe zu konzentrieren. Obwohl Baugruppen in Form von Verdampfungskammern (z.B. großer Raumbedarf, Wärmeleitungen mit kleinem Durchmesser) derzeit für Hotspot-Minderung auf Siliziumchips benutzt werden, wird nicht erwartet, dass dies unbegrenzt fortgesetzt wird, da über einem Maximum an Wärmebelastung und Wärmestrom eine Verdampfungskammer austrocknen wird. Zusätzlich kann das unerwünschte Material (normalerweise sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit) der thermischen Schnittstelle, das sich derzeit zwischen Chip und der Baugruppe befindet, z.B. ein TIM-Material, im Zusammenhang mit der direkten Kühlung, die Mikrokanäle benutzt, eliminiert werden. Ferner können die Mikrokanäle direkt auf der Rückseite des Chips angebracht werden. Alternativ können die Mikrokanäle aus Silizium oder einem anderen geeigneten Material hergestellt werden und thermisch mit dem Chip verbunden werden (wobei die Oberflächen entsprechend ihrer Ausdehnung angepasst werden).
  • Wärmetransport von der Wärmequelle zu der Wärmetransportflüssigkeit in den Mikrokanälen wird geregelt durch das Newton'sche Gesetz der Kühlung, welches besagt, dass qn(x, y) = h(x, y)[Td(x, y) – Tf(x, y)]wobei qn(x, y), h(x, y), und Tf(x, y) jeweils die (höchst ungleichmäßige) räumliche Abhängigkeit des Wärmestroms auf der Wärmequelle, den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten zwischen der Wärmequelle und der Wärmetransportflüssigkeit, z.B. Wasser, und die Temperatur der Wärmetransportflüssigkeit darstellen. Td(x, y) ist die Temperatur der Wärmequelle. Das Ziel ist, Td auf einem räumlich gleichmäßigen Wert zu halten. qn(x, y) hängt von der Position der Anhäufung von leistungsstarken Einheiten, auf dem Chip ab, wie obenstehend beschrieben wurde. Außerdem ändert sich Tf(x, y) räumlich, da, wenn die Wärmetransportflüssigkeit über die Wärmequelle strömt und Wärme aufnimmt, sich ihre Temperatur erhöht.
  • Normalerweise ist h(x, y) konstant, d.h. unabhängig von der Position. Allerdings ist h(x, y) beim Vorhandensein der vorliegenden wasserabweisend beschichteten Nanostäbe abstimmbar, wie obenstehend ausführlich erläutert. Basierend auf den Werten von qn(x, y) und Tf(x, y) an einer bestimmten Position auf der Wärmequelle kann der Wert von h(x, y) abgestimmt werden, derart, dass Td annähernd konstant über dem gesamten Chip ist. Durch Ändern des Materials (z.B. Wärmeleitfähigkeit), der Dichte (z.B. Abstand), von Durchmesser und Höhe der Nanostäbe kann der Wärmeübergangskoeffizient räumlich abgestimmt werden, um die Verteilung innerhalb einer Anordnung von Mikrokanälen, die notwendig ist, um eine räumlich gleichmäßige Wärmequellentemperatur aufrecht zu erhalten, bereitzustellen.
  • Die Wärmetransportflüssigkeit kann über ausgesuchte Mikrokanäle, in welchen die Nanostäbe abgestimmt wurden, derart, dass der Wärmetransport minimiert wird, bis der Hotspot erreicht ist, nachdem sie gekühlt wurde, z.B. beim Durchgang durch das System, an Positionen auf der Wärmequelle geliefert werden, wo der Wärmestrom (qn(x, y)) extrem hoch ist, z.B. größer oder gleich als der ungefähr fünffache Durchschnittswärmestrom. Zum Beispiel könnten, wie nachfolgend beschrieben, die Höhe der Nanostäbe in den Bereichen außerhalb der Nähe eines Hotspots erhöht werden, um den Wärmetransport in diesen Bereichen zu minimieren. In der Nähe eines Hotspots können die Nanostäbe kürzer sein, dicker sein oder enger zusammenstehen, um den Wärmetransport an dieser Stelle zu maximieren.
  • Ein alternatives Mittel zur Steuerung oder Einstellung des Wärmetransports ist, die Temperatur zur Steuerung der Eindringung der Wärmetransportflüssigkeit durch die Nanostäbe zu benutzen. Die Oberflächenspannung jeder Flüssigkeit (und daher der Berührungswinkel, den sie mit den Nanostäben bildet) hängt von ihrer Temperatur ab. Daher können die Nanostabanordnungen auf eine Weise ausgebildet werden, dass die Eindringung der Wärmetransportflüssigkeit in die Nanostabschicht bei einer Temperatur oberhalb einer gewissen Schwellentemperatur hervorgerufen wird. Dies würde eine automatische Abstimmung des Kühlsystems auf eine bestimmte Anordnung der Hotspots auf der Oberfläche der Wärmequelle erlauben. Zum Beispiel fällt die Oberflächenspannung oberhalb bestimmter Temperaturen tief genug ab, derart, dass der Berührungswinkel zwischen der Flüssigkeit und den Nanostäben kleiner als 90 Grad ist. Die Flüssigkeit würde dann die Wände des Mikrokanals befeuchten. Ferner verringert sich der statische Druck, bei dem eine Flüssigkeit in die Nanostabschicht eindringen wird, während sich die Oberflächenspannung verringert und während sich die Dichte der Nanostäbe verringert. Daher können die Nanostäbe so angeordnet werden, dass sie in der Nähe eines Hotspots weiter entfernt voneinander sind, und/oder es kann eine Wärmetransportflüssigkeit eingesetzt werden, die eine Oberflächenspannung hat, die sich verringert während die Temperatur steigt.
  • Zum Beispiel würde die Wärmetransportflüssigkeit in den Bereichen in der Nähe eines Hotspots durch die Nanostabschicht eindringen, was zu einem höheren Wärmeübertragungskoeffizienten führt. Auf anderen Flächen auf der Wärmequelle würde die Wärmetransportflüssigkeit auf den Nanostabspitzen hängen bleiben, und daher zu einem niedrigeren Wärmeübertragungskoeffizienten in diesen Bereichen führen.
  • Andere beispielhafte Anordnungen werden hiermit benannt. Zum Beispiel kann bezüglich einer Anwendung einer indirekten Flüssigkeitskühlung ein Mikrokanalkühlkörper in einen, z.B. Leiterrahmen eingearbeitet werden und mit der Wärmequelle durch ein Bindemittel mit einem niedrigen thermischen Widerstand (z.B. einem Silizium-Silizium-Verbund oder einem dünnen, hoch wärmeleitfähigen Lotverbund) verbunden werden. Im Vergleich dazu könnten bezüglich einer Anwendung einer direkten Flüssigkeitskühlung die Mikrokanäle in die Wärmequelle selbst eingeätzt werden und ein Leiterrahmen könnte an die Wärmequelle angebunden werden, um die Mikrokanäle abzudichten, derart, dass Flüssigkeit durch sie gepumpt werden könnte. In dieser Ausführungsform laufen die Mikrokanäle thermisch parallel mit einem thermischen Pfad durch die Wärmequelle.
  • Es ist wichtig zu vermerken, dass die erforderlichen Durchflussraten von Wärmetransportflüssigkeiten für direkte Flüssigkeitskühlung bei weitem geringer sind als für indirekte Flüssigkeitskühlung. Wenn Abführung durch die Baugruppe vermieden wird, ist die treibende Kraft für den Wärmetransport an die Umgebung gleich der Differenz zwischen der maximalen Betriebstemperatur der Wärmequelle (z.B. 125°C) und der Umgebung (z.B. 45°C). In diesem Beispiel würde die treibende Kraft 80°C entsprechen. Wenn zum Beispiel sogar nur ein Flüssigkeitstemperaturanstieg von 24°C in den Mikrokanälen erlaubt wäre, würde die erforderliche Durchflussrate ungefähr 94 ml/min für eine Ableitung von 150 Watt betragen. Außerdem könnte diese Durchflussrate sogar weiter reduziert werden, da wenn die Temperatur der Oberfläche der Wärmequelle 125°C entspricht (der mittleren Wärmequellentemperatur), dann ist der entsprechende Sättigungsdruck von Wasser 2,25 atm und eine Verdampfung wird möglich. Eine Ausnutzung der hohen latenten Wärme von Wasserverdampfung in einem solchen Zwei-Phasen-System würde sehr viel niedrigere Durchflussraten erlauben.
  • Sobald Hotspots auf der Wärmequelle eliminiert sind, kann sie bei höheren mittleren Temperaturen arbeiten. Dies führt zu einer höheren Temperatur des luftseitigen Kühlkörpers, aufgrund des Anstiegs der gesamten antreibenden Kraft des Wärmetransports (Temperaturdifferenz), die zwischen den Wärmequellenverteilern und der Umgebungsluft vorhanden ist. Außerdem ist ein kleinerer Temperaturunterschied notwendig, um die Wärme von der Wärmequelle zu der Wärmetransportflüssigkeit in dem Mikrokanal durch direkte Flüssigkeitskühlung zu transportieren, anstatt durch eine zwischengelagerte Baugruppe, wobei die Temperatur des luftseitigen Kühlkörpers weiter erhöht wird. Das Endresultat ist eine verbesserte Leistung des Gesamtsystems und eine größere Flexibilität für die Bauweisen von Computergehäusen. Daher könnten Kühlkörper weniger Raum für eine bestimmte Wärmebelastung belegen, langsamere Gebläsegeschwindigkeiten (niedrigerer Geräuschpegel) erfordern und könnten höhere Wärmebelastungen an die Umgebungsluft übertragen, aufgrund der erhöhten Betriebstemperatur des Kühlkör pers.
  • 8 ist ein Schaubild, das eine beispielhafte Verfahrensweise zur Herstellung einer Wärmeübertragungsbaugruppe darstellt. Und zwar kann die in 8 vorgestellte Verfahrensweise benutzt werden, um eine Wärmeübertragungsbaugruppe herzustellen, wie beispielsweise eine Wärmeübertragungsbaugruppe 200, dargestellt und beschrieben in Verbindung mit der obenstehenden Beschreibung von 2A.
  • Im Schritt 802 werden Ausrichtlöcher (z.B. Werkzeuglöcher) 810 indem Mikrokanalgehäusematerial 812 eingebracht. Die nanostrukturierten Flächen 816 werden dann in die Mikrokanalgehäusematerialien 812 und 814 geätzt oder geprägt. Im Schritt 804 werden die Mikrokanalgehäusematerialien 812 und 814 zusammengefügt und abgedichtet, z.B. durch Benutzen eines Klebemittels oder Lots. Im Schritt 806 werden die gedruckte Leiterplatte 818, IC-Chip 819 und Drahtanschlüsse 820 befestigt. Im Schritt 808 werden Flüssigkeitsanschlüsse 822 eingefügt.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform können, wie obenstehend erwähnt, Hotspots auf einer Wärmequelle behandelt werden, indem „kühlere" Wärmetransportflüssigkeit zu diesen Bereichen geliefert wird, z.B. durch ausgewählte Mikrokanäle. Zum Beispiel können gewisse Mikrokanäle eine hohe Dichte von extrem wasserabweisenden Nanostrukturen in den Bereichen in dem Strömungspfad, die zu einem Hotspot führen, aufweisen, derart angeordnet, dass die Wärmetransportmenge in diesen Bereichen reduziert ist. Die so an den Hotspot gelieferte Flüssigkeit wäre kühler. An dem Hotspot können die extrem wasserabweisenden Strukturen allerdings gekürzt, eliminiert oder anderweitig abgeändert werden, um größere Kühlung in diesem Bereich bereitzustellen.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform können die extrem wasserabweisenden Nanostrukturen abgestimmt werden, um den Wärmetransport nicht wesentlich zu ändern während der Druckabfall für eine bestimmte Durchflussrate reduziert wird. Gemäß dieser erläuternden Ausführungsform wird die Höhe der extrem wasserabweisenden Nanostrukturen abgestimmt, damit die extrem wasserabweisenden Nanostrukturen kurz genug sind, derart, dass der thermische Widerstand der Luftschicht und der Nanostrukturen, die parallel laufen, unbedeutend ist relativ zu dem thermischen Widerstand im Zusammenhang mit der Konvektion in die Wärmetransportflüssigkeit. Damit ist der Wärmetransport im Wesentlichen unbeeinflusst und der Druckabfall ist reduziert.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform können die Mikrokanäle hervorstehende Strukturen auf mindestens einer ihrer inneren Flächen aufweisen, die abgestimmt sind, um den Wärmetransport zu verbessern. Zum Beispiel können örtliche Bereiche des Mikrokanals Nanostäbe ohne wasserabweisende Schicht aufweisen. Diese Strukturen wären daher nicht extrem wasserabweisend. Deshalb wäre in diesen Bereichen die Wärmetransportflüssigkeit nicht daran gehindert, die Wände der Mikrokanäle zu berühren. Das Befeuchten der Wände der Mikrokanäle wird den Wärmetransport in diesen Bereichen verbessern. Daher verbessern gemäß dieser erläuternden Ausführungsform die Nanostrukturen den Wärmetransport. Ferner können diese örtlichen Bereiche eine dichte Anordnung von solchen Nanostäben aufweisen, um die Oberfläche für den Wärmetransport in diesen Bereichen dramatisch zu erhöhen.
  • Weitere Techniken werden hiermit betrachtet, um den Wärmetransport zu verbessern. Zum Beispiel können, wie oben erwähnt, die Mikrokanäle hervorstehende Strukturen auf mindestens einer ihrer inneren Flächen aufweisen, welche abgestimmt sind, um den Wärmetransport zu verbessern. Insbesondere können die Strukturen Nanostäbe aufweisen, die mit Materialien beschichtet sind, die unterschiedliche Oberflächenspannungen aufweisen. Dies erzeugt Oberflächen mit hoher Oberflächenspannung, welche extrem wasserabweisendes Verhalten nur unterhalb einer bestimmten Temperatur aufweisen. Zum Beispiel wäre es der Wärmetransportflüssigkeit oberhalb dieser Temperatur möglich, die Wände der Mikrokanäle zu befeuchten. Ferner würde das Beschichten von anderen Nanostabbereichen mit der wasserabweisenden Schicht, wie obenstehend beschrieben, (die Oberflächen mit geringer Oberflächenspannung erzeugen) sicherstellen, dass andere Bereiche extrem wasserabweisendes Verhalten aufweisen, ungeachtet der Temperatur. Diese selektive Beschichtungstechnologie kann eingesetzt werden, um das System abzustimmen oder anderweitig einzustellen.
  • Die hier vorgelegten Lehren haben eine weite Anwendbarkeit. Zum Beispiel können die vorliegenden Techniken eingesetzt werden in lichtemittierenden Dioden-(LED) Bauteilen, die Projektoren, Displays, Werbetafeln, Straßenlichter, Mobile Telefone mit Live-Video, Projektorhandgeräte (wie zum Beispiel Minicomputer (PDAs)) umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind; in der Hochleistungselektronik, die Radarsysteme und militärische Anwendungen umfasst, aber nicht darauf beschränkt ist; und Übertragungsgeräte, die drahtlose Tower-Top-Elektronikanwendungen und Mikrowellenanwendungen umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind.
  • Es versteht sich, dass diese und andere Ausführungsformen und Abwandlungen, die in den vorangehenden Beispielen und ihren Figuren dargestellt und beschrieben wurden lediglich die Grundsätze dieser Erfindung erläutern und dass verschiedene Änderungen durch den Fachmann gemacht werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum Wärmetransport, die einen oder mehrere Mikrokanäle aufweist, die geeignet sind, eine Wärmetransportflüssigkeit zu enthalten, wobei einer oder mehrere der Mikrokanäle hervorstehende Strukturen auf mindestens einer ihrer inneren Flächen aufweisen, die ausgebildet sind, um die Strömung der Wärmetransportflüssigkeit durch den einen oder die mehreren Mikrokanäle zu beeinflussen, wobei die hervorstehenden Strukturen extrem wasserabstoßende, nanostrukturierte Oberflächen aufweisen, die einen Widerstand der Strömung der Wärmetransportflüssigkeit reduzieren.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere der Strukturen Stäbe aufweisen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine kürzeste Abmessung der Querschnittsfläche von dem einen oder den mehreren Mikrokanälen kleiner oder gleich 500 Mikrometer ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere der Strukturen Stäbe aufweisen, die mit einer wasserabweisenden Schicht beschichtet sind.
  5. Verfahren zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Pumpen einer Wärmetransportflüssigkeit, in thermischem Kontakt mit der Wärmequelle, durch einen oder mehrere Mikrokanäle, welche auf mindestens einer ihrer inneren Flächen hervorstehende Strukturen aufweisen, die in Kontakt mit der Wärmetransportflüssigkeit sind, wobei die Strukturen ausgebildet sind, um den Strom der Wärmetransportflüssigkeit durch den einen oder die mehreren Mik rokanäle zu beeinflussen, wobei die hervorstehenden Strukturen extrem wasserabweisende, nanostrukturierte Oberflächen aufweisen, die einen Widerstand der Strömung der Wärmetransportflüssigkeit reduzieren.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, ferner den Schritt aufweisend, einen oder mehrere der Punkte Dichte, Durchmesser, Höhe und Material von einer oder mehreren der Strukturen zu verändern, um die Wärmeableitung von der Wärmequelle abzustimmen.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, ferner den Schritt aufweisend, die Strukturen auszubilden, um die Wärmequelle im Wesentlichen bei konstanter Temperatur zu halten.
  8. Verfahren nach Anspruch 5, ferner den Schritt aufweisend, die Strukturen auszubilden, um mindestens einen Teil des Druckabfalls in der Wärmetransportflüssigkeit zu reduzieren.
  9. Wärmetransportsystem, aufweisend: Vorrichtung zum Wärmetransport, die einen oder mehrere Mikrokanäle aufweist, die geeignet sind, mindestens einen Teil einer Wärmetransportflüssigkeit zu enthalten, wobei einer oder mehrere der Mikrokanäle hervorstehende Strukturen auf mindestens einer ihrer inneren Flächen aufweisen, die ausgebildet sind, um die Strömung der Wärmetransportflüssigkeit durch den einen oder die mehreren Mikrokanäle zu beeinflussen, wobei die hervorstehenden Strukturen extrem wasserabweisende, nanostrukturierte Oberflächen aufweisen, die einen Widerstand der Strömung der Wärmetransportflüssigkeit reduzieren; mindestens einen Kühlkörper, der mit der Vorrichtung zum Wärmetransport verbunden ist und mindestens eine Pumpe, die geeignet ist, die Wärmetransportflüssigkeit durch das System zirkulieren zu lassen.
  10. Anordnung, aufweisend: einen oder mehrere integrierte Schaltkreise, eine Vorrichtung zum Wärmetransport, die thermisch mit einem oder mehreren integrierten Schaltkreisen verbunden ist, wobei die Vorrichtung zum Wärmetransport einen oder mehrere Mikrokanäle aufweist, die geeignet sind, eine Wärmetransportflüssigkeit zu enthalten, wobei einer oder mehrere der Mikrokanäle hervorstehende Strukturen auf mindestens einer ihrer inneren Flächen aufweisen, die ausgebildet sind, die Strömung der Wärmetransportflüssigkeit durch den einen oder die mehreren Mikrokanäle zu beeinflussen, wobei die hervorstehenden Strukturen extrem wasserabweisende, nanostrukturierte Oberflächen aufweisen, die einen Widerstand der Strömung der Wärmetransportflüssigkeit reduzieren.
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