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    • 专利摘要:
    Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Abführen von Wärmeenergie mit einem Kühlflüssigkeitskreislauf, mit einem Wärmetauscher, in dem die Wärmeenergie auf die Kühlflüssigkeit übertragen wird, und mit einer Kühlflüssigkeitspumpe zum Fördern der Kühlflüssigkeit durch den Wärmetauscher und den Kühlflüssigkeitskreislauf. Erfindungsgemäß ist in den Kühlflüssigkeitskreislauf zum Abführen der Wärmeenergie aus der Kühlflüssigkeit in Fließrichtung zwischen dem Wärmetauscher und der Kühlflüssigkeitspumpe eine Verdampfungskammer eingekoppelt, aus der die verdampfte Kühlflüssigkeit von einer Vakuumpumpe abgesaugt wird.
    公开号:DE102004031186A1
    申请号:DE200410031186
    申请日:2004-06-27
    公开日:2005-11-03
    发明作者:Ekkehard Kres
    申请人:Kress, Ekkehard；
    IPC主号:F25B23-00
    专利说明:
    [0001] DieErfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zumAbführenvon Wärmeenrgienach dem Oberbegriff von Anspruch 1, bzw. dem Oberbegriffs von Anspruch9.
    [0002] Ausder DE 19605302 A1 istes bekannt, einen Kühler über einengeringen thermischen Widerstand direkt mit einem Halbleiter zu verbinden.Die DE 4344227 A1 zeigteine entsprechende Kühlanordnungfür laseraktivesMaterial. Solche Kühlerwerden dann üblicherweisemit ihrer Wärmesenkein einen Kühlmittelkreislaufeingebunden, der von einer Pumpe getrieben wird. Das Kühlmittelnimmt dabei in der WärmesenkeWärmeenergieauf und gibt diese in einem Luftwärmetauscher, der an andererStelle in den Kühlmittelkreislaufeingebunden ist, wieder an die Umgebung ab.
    [0003] BeiHalbleitern bzw. laseraktiven Materialien hoher Leistung entstehtdabei ein Temperaturgefälle zwischenKühlmediumund Halbleiter bzw. laseraktivem Material in Abhängigkeit von der Verlustleistung desHalbleiters bzw. des laseraktiven Materials im Bereich von 10 bis über 30 Kelvin.Wird das Halbleiterbauelement, z. B. ein Diodenlaser-Barren mithoher Leistung, unter wechselnder Last mit einer Frequenz von etwaeinem Hertz betrieben, so entseht an dem Diodenlaser-Barren einTemperaturwechsellastprofil mit einem Temperaturhub vom beispielsweise 30Kelvin überdie Zeit betrachtet.
    [0004] Dieseerhebliche Temperaturwechsellast führt mittelfristig zu Mikrorissenin der Verbindung zwischen der Wärmesenkeund dem Halbleiter. Dadurch wird aber die thermische Kopplung immer schlechterund es kann immer weniger Wärmeenergiean das Kühlmediumabgegeben werden. Damit steigt die Temperatur an dem Halbleiterimmer stärkeran. Dies führtletztendlich zur Zerstörungdes Elements. Die Standzeit solcher Hochleistungs-Diodenlaser-Barrenist daher mit den bekannten Kühlsystemennicht sehr hoch. Gleiches gilt bei der Kühlung von laseraktivem Material.
    [0005] Eswar daher die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahrenzum Abführenvon Wärmeenergieso auszugestalten, dass die Kühlleistungso steuerbar ist, dass der Temperaturwechsel des Halbleiterelementsoder des laseraktiven Materials auch bei Wechsellast stark vermindertwird.
    [0006] Gelöst wirddie Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Abführen von Wärmeenergie mit den kennzeichnendenMerkmalen von Anspruch 1, bzw. durch ein Verfahren zum Abführen vonWärmeenergiemit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 9. Durch das Verdampfendes Kühlmittelsin der Verdampfungskammer kann dem Kühlmittel sehr schnell vielWärmeenergieentzogen werden. Dadurch lässt sichdie Menge des Kühlmittelsin dem primären Kühlmittelkreislaufdurch den Wärmetauschergering halten. Je geringer die Menge an Kühlmittel in dem primären Kühlmittelkreislaufist, umso schneller kann auf veränderteBedingungen reagiert werden, die sich z. B. durch eine erhöhte oderverminderte, in dem Wärmetauscheran das Kühlmittel übergebene Wärmeenergieergeben. Durch das Verdampfen des Kühlmittels kann diesem eineso großeMenge an Wärmeenergieentzogen werden, wie sie in üblichen Kühlkreisläufen nurdurch einen großenLuftwärmetauscherabgegeben werden kann. Ein entsprechend großer Luftwärmetauscher bedingt jedocheine große Mengean Kühlmittel,die nur sehr trägeauf sich änderndeBedingungen anpassbar ist.
    [0007] Durchden steuerbaren Unterdruck am Ausgang der Verdampfungskammer lässt sichdie Temperatur der Kühlflüssigkeitin der Verdampfungskammer exakt steuern. Damit ist die Kühlleistungder Kühlflüssigkeitin dem Wärmetauschersehr schnell an die jeweilige Wärmeleistungdes Halbleiterelements und/oder des laseraktiven Materials und damit andie abzuführendeWärmeenergieanpassbar. Die Steuerung kann so erfolgen, dass im Wechsellastbetriebdes Halbleiterelements und/oder des laseraktiven Materials die Kühlleistungimmer dann erhöht wird,wenn eine erhöhteWärmemengeab zu transportieren ist und die Kühlleistung dann verringert wird,wenn keine großeAbwärmeanfällt.
    [0008] Jegeringer die Menge an Kühlflüssigkeitin dem primärenKühlkreislaufist, desto schneller kann beispielsweise eine in der Verdampfungskammer stärker abgekühlte Kühlflüssigkeitwieder in den Wärmetauscherzum Abtransport der dort aufzunehmenden größeren Wärmeenergie transportiert werden. Aufdiese Weise lässtsich mit dem erfindungsgemäßen Systemeine Kühlungrealisieren, die sehr schnell auf wechselnde Bedingungen reagiert,aber trotzdem eine sehr großeMenge an Wärmeenergie abführen kann.
    [0009] Deran der Verdampfungskammer anliegende Unterdruck wird erfindungsgemäß so dimensioniert,dass das Kühlmittelbei der Temperatur verdampft, mit der es dem Wärmetauscher wieder zugeführt werdenmuss um die anfallende Wärmeenergie aufnehmenzu können.Wird eine hohe Kühlleistung benötigt, mussder Unterdruck so weit erhöhtwerden, dass die Kühlflüssigkeitbereits bei niedriger Temperatur verdampft, auf diese Weise weitheruntergekühltwird und so in dem Wärmetauscherschnell viel Wärmeenergieaufnehmen kann. In Betriebsphasen mit geringer Verlustleistung desHalbleiterelements und/oder des laseraktiven Materials kann derUnterdruck verringert werden. Entsprechend erhöht sich die Verdampfungstemperaturund damit die Temperatur der Kühlflüssigkeitin der Verdampfungskammer.
    [0010] DerTemperaturunterschied zwischen dem Halbleiter und/oder dem laseraktivenMaterial und der Kühlflüssigkeitin dem Wärmetauscherwird dadurch geringer und es wird weniger Wärmeenergie durch das Kühlsystemabgeführt.
    [0011] DieSteuerung des Unterdrucks in der Verdampfungskammer kann über dieRegelung der Leistung der Vakuumpumpe erfolgen. Diese Steuerung reagiertallerdings verhältnismäßig träge und wirddaher nur füreine langsame Anpassung verwendet. Für schnelle Änderungen sind Bypassleitungenzwischen der Überdruckleitungnach der Vakuumpumpe und der Unterdruckleitung vor der Vakuumpumpevorgesehen. Diese Bypassleitungen können über Steuerventile, je nachBedarf, geöffnetund geschlossen werden. Durch das Öffnen der Steuerventile lässt sichsehr schnell der Unterdruck in der Verdampfungskammer verringernund so die Kühlleistungdes Kühlsystemsvermindern. Zum Erhöhender Kühlleistungwerden die Steuerventile wieder geschlossen und der notwendige Unterdruckwird aufgrund des geringen Volumens von Verdampfungskammer und Unterdruckleitungsehr schnell wieder erreicht.
    [0012] Vorteilhafterweisewird der Druck in der Verdampfungskammer direkt über einen Drucksensor gemessenund von der Steuerung ausgewertet. Auch die Temperatur des Halbleiterelementsund/oder des laseraktiven Materials wird überwacht. Auf diese Weise stehender Steuerung alle Informationen zur Verfügung, damit bei WechsellastTemperaturschwankungen effektiv gegengesteuert werden kann.
    [0013] Temperatursensorenvor und hinter dem Luftwärmetauscherdienen einer Anpassung des Kühlkreislaufsan den Wirkungsgrad des Luftwärmetauschers.Der Wirkungsgrad ist stark von der momentanen Umgebungstemperaturabhängig.Sinkt der Wirkungsgrad, so kann von der Steuerung durch eine Erhöhung desDurchflusses an Kühlflüssigkeit gegengesteuertwerden, in dem beispielsweise ein Ventil in der Überdruckleitung vor der Verdampfungskammerweiter geöffnetwird.
    [0014] WeitereEinzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen undder Beschreibung eines Ausführungsbeispielshervor.
    [0015] Eszeigen:
    [0016] 1 einSchema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    [0017] 2 eineschematische Ansicht der Verdampfungskammer aus Richtung des PfeilesA in 4,
    [0018] 3 eineschematische Ansicht der Verdampfungskammer aus Richtung des PfeilesB in 4 und
    [0019] 4 eineAnsicht von oben in die geöffnete Verdampfungskammer.
    [0020] In 1 istdie erfindungsgemäße Vorrichtungzum Abführenvon Wärmeenergievon einem Hochieistungs-Diodenlaser-Barren erläutert. Die Erfindung gilt jedochauch fürdie Kühlunganderer Leistungs-Halbleiterelemente, die Kühlung von laseraktiven Materialienoder die Kühlungvon gemeinsam mit Laserbarren montierten laseraktiven Materialien.
    [0021] DerHochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 ist über die Wärmesenke 2 gut wärmeleitendmit dem Wärmetauscher 1 verbunden.Eine andere, noch eftektivere Möglichkeitwäre esden Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 direkt in dem Wärmetauscher 1 vorzusehen.Hierbei ergibt sich jedoch ein Problem, da das emittierte Lichtdurch die Kühlflüssigkeitin ungewollter Weise beeinflusst werden würde. Um dies zu umgehen, müssten aufwändige Abdichtungenum den Lichtaustritt des Hochleistungs-Diodenlaser-Barren vorgesehenwerden. Bei anderen Leistungs-Halbleiterelementen ist diese Ausgestaltung derErfindung aber ohne weiteres möglichund vorteilhaft.
    [0022] Mit 19 isteine Stromquelle bezeichnet, die den Hochleistungs-Diodenlaser-Barrenmit Strom versorgt. Der fließendeStrom wird überdas Amperemeter 20 gemessen und die Messwerte werden an dieSteuerung 21 übermittelt.
    [0023] DieVakuumpumpe 4 ist überdie Unterdruckleitung 5 mit der Verdampfungskammer 31 desHochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 verbunden. Auf der Druckseiteder Vakuumpumpe 4 stellt die Leitung 6 die Verbindungzu dem Volumenausgleichs- und Entlüftungsbehälter 7 her. Die abgeschiedenenGase sammeln sich im oberen Teil und können über das Ventil 17 abgelassenwerden, welches auch als Überdruckventilfungiert. Der Druck wird überden Drucksensor 18 kontrolliert.
    [0024] Über dieLeitung 8 wird die Kühlflüssigkeitin den Luftwärmetauscher 9 gefördert. Hierbeikann es sich um einen Wasser-Luft-Tauscher handeln, der die Wärmeenergieder Kühlflüssigkeit(z. B. Wasser) entzieht und an die Umgebungsluft abgibt. Soll dieabgeführteWärmeenergiebeispielsweise fürHeizzwecke weiter verwendet werden, würde man an dieser Stelle abereher einen Wasser-Wasser-Tauscher einsetzen.
    [0025] DieLeitung 10 bildet die Verbindung zwischen dem Luftwärmetauscher 9 undder Verdampfungskammer 31. Über das Ventil 11 isteine Steuerung der Durchflussmenge des Kühlmittels in dem sekundären Kühlflüssigkeitskreislaufmöglich,der die Verdampfungskammer 31, die Unterdruckleitung 5, dieVakuumpumpe 4, die Druckleitungen 6 und 8 mit demdazwischenliegenden Volumenausgleichs- und Entlüftungsbehälter 7, den Luftwärmetauscher 9 und dieDruckleitung 10 beinhaltet.
    [0026] DieTemperatursensoren 15 und 16 sind mit der Steuerung 21 verbundenund geben Aufschluss überden Wirkungsgrad des Luftwärmetauschers.
    [0027] Essind noch zwei Bypassleitungen 22 und 23 vorgesehen,die jeweils die Überdruckseiteder Vakuumpumpe 4 mit der Unterdruckseite verbinden. DerBypass 22 verbindet überdas Ventil 14 den Volumenausgleichs- und Entlüftungsbehälter 7 mitder Unterdruckleitung 5 zwischen Verdampfungskammer 31 undVakuumpumpe 4.
    [0028] DerBypass 23 verbindet überdas Ventil 13 die Leitung 10 zwischen Luftwärmetauscher 9 und Verdampfungskammer 31 ebenfallsmit der Unterdruckleitung 5 zwischen Verdampfungskammer 31 undVakuumpumpe 4.
    [0029] DieVerdampfungskammer 31 ist in den 2 bis 4 näher gezeigt.Sie ist rotationssymetrisch, zylindrisch, kann aber ebenso als Kegelstumpf ausgeformtsein. Der Zulauf fürdie Kühlflüssigkeit ausdem Wärmetauscher 1 mündet inden Zulaufstutzen 32. Der Ausgang der Pumpe 24 istmit dem Abflussstutzen 33 durch einen Kanal verbunden und führt zurück zum Wärmetauscher 1.Die Pumpe 24 ist idealerweise direkt neben bzw. unterhalbder Verdampfungskammer 31 angeordnet und im Ausführungsbeispielals Kreiselpumpe gezeigt.
    [0030] Inder Verdampfungskammer 31 läuft ein sternförmiger Rotor 41,der die Kühlflüssigkeitumfänglichnach außenan eine gelochte Wand 35 drückt. Der Zulauf der Kühlflüssigkeitin die Verdampfungskammer 31 erfolgt von dem Zulaufstutzen 32 durchdie hohle, gelochte Rotorwelle 36. Das obere Ende der Rotorwelle 36 ist über einenweiteren Zulaufstutzen 37 mit dem Ventil 11 inder Leitung 10 vom Luftwärmetauscher 9 verbunden.In der Rotorwelle 36 ist eine Trennwand 42 vorgesehen,so dass die beiden Zuläufephyskalisch von einander getrennt sind und auch bei unterschiedlichenDruckverhältnissenin den Zuläufenein Mischen der Kühlflüssigkeitausschließlichin der Verdampfungskammer 31 stattfindet.
    [0031] Durchdie Drehung des Rotors 41 wird die aus der Rotorwelle 36 austretendeKühlflüssigkeit nachaußengeschleudert und von den Rotorarmen 41 über die gelochte Wand 35 gewischt.Aufgrund der Temperatur der Kühlflüssigkeitund des anliegenden Unterdrucks verdampft ein Teil der Kühlflüssigkeit. Bedingtdurch die unterschiedliche Dichte der Kühlflüssigkeit und des entstehendenDampfes, sammelt sich der Dampf im Zentrum der Verdampfungskammerund kann so sauber von der Kühlflüssigkeitabgetrennt werden. Aus diesem Bereich wird der Dampf von der Vakuumpumpe 4 über die Öffnung 38 imDeckel 39 der Verdampfungskammer 31 abgesaugt.
    [0032] Dieverbleibende Kühlflüssigkeitwird nach außendurch die Löcherder Wand 35 in den umgebenden Raum 40 gepresst.Dort läuftdie Kühlflüssigkeitnach unten und wird überdie Trennscheibe 34 der Pumpe 24 zugeführt.
    [0033] Idealerweisesind die Verdampfungskammer 31, die Pumpe 24 unddie Vakuumpumpe 4 so angeordnet, dass der Antrieb des Rotors 41 undder Pumpe 24 übereine Wellenverlängerungdes Antriebs der Vakuumpumpe 4 erfolgen kann. Somit istnur ein Antriebsmotor erforderlich. Aber ebenso ist ein getrennterAufbau der Systeme mit eigenen Antrieben denkbar, die in der Zeichnungaber nicht explizit dargestellt sind.
    [0034] Umdie Temperatur des Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 stabilhalten zu können,muss die Temperatur überwachtwerden. Dies kann direkt über einenTemperatursensor erfolgen, der an der Wärmesenke 2 angebrachtist. So eine Messung ist jedoch verhältnismäßig träge, weil die Temperatur derWärmesenke 2 undnicht direkt die Temperatur des Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 gemessenwird. Das bedeutet, dass noch ein Temperaturanstieg gemessen wird,wenn die Leistung des Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 bereitsreduziert wird. Hier kann eine Messung der Stromstärke durchdas Amperemeter 20 zu Hilfe genommen werden.
    [0035] Aufdiese Weise ist zumindest der Zeitpunkt bekannt, an dem die Leistungreduziert wird. Dies gilt entsprechend umgekehrt bei einer Anhebungder Leistung.
    [0036] Eineechte Messung der Temperatur des Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 lässt sichauf optischem Wege vornehmen. Hierzu werden im Strahlengang desHochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 zwei Sensoren vorgesehen,deren Empfindlichkeit in benachbarten Wellenlängenbereichen des emittiertenSpektrums liegen. Der Laser reagiert auf eine Temperaturveränderungmit einem Shift der emittierten Wellenlänge.
    [0037] DieserShift und damit die Temperatur des Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 kannmit diesen beiden Sensoren sehr genau ermittelt werden. Der Übersichtlichkeithalber sind die beschriebenen Methoden der Temperaturermittlungin der Zeichnung nicht dargestellt.
    [0038] Mitdem gezeigten Kühlsystemsoll eine möglichstgeringe Temperaturdifferenz zwischen aktivem und passivem Zustanddes Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 erreicht werden.Der primäreKühlflüssigkeitskreislauf,der den Wärmetauscher 1 die Verdampfungskammer 31 unddie Förderpumpe 24 beinhaltetnimmt daher nur ein sehr geringes Volumen an Kühlflüssigkeit auf, welches abermit hohem Durchsatz durch den Wärmetauscher 1 gefördert wird.Der Wärmetauscher 1 kannin herkömmlicher Weiseals Kühlkörper mitMikro-Kühlkanälen ausgebildetsein.
    [0039] Umdie in der Kühlflüssigkeitaufgenommene Wärmeenergieschnell und mit großerEffizienz aus dem primärenKühlflüssigkeitskreislaufin den sekundärenKühlflüssigkeitskreislauf überführen zukönnen,wird die Kühlflüssigkeitaus dem Wärmetauscher 1 über einesehr kurze Leitung direkt in die Verdampfungskammer 31 geleitet.Dort liegt ein gesteuerter Unterdruck an, über den die Temperatur der Kühlflüssigkeitin der Verdampfungskammer 31 geregelt wird.
    [0040] DasVentil 11 regelt den Rückflussaus dem sekundärenKühlflüssigkeitskreislaufin die Verdampfungskammer 31 so, dass immer ein gewissesFlüssigkeitsniveauin der Verdampfungskammer 31 eingehalten wird. Dieses Niveaukann durch einen hier nicht gezeigten Niveaustands-Sensor kontrolliert werden.
    [0041] ZwischenSiedetemperatur des verwendeten Kühlmittels in der Verdampfungskammer 31 unddem anliegenden Unterdruck besteht ein direkter Zusammenhang. Miteiner geeigneten Vakuumpumpe 4 wird möglichst nahe an der Verdampfungskammer 31 der entstehendeDampf abgesaugt. Bei gleichbleibender Leistung des Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 wirdder an der Verdampfungskammer 31 anliegende Unterdruck über einRegelsystem konstant gehalten.
    [0042] Damitbleibt auch die Temperatur der Kühlflüssigkeitin der Verdampfungskammer 31, unabhängig von der Temperatur dereinströmendenKühlflüssigkeit,weitgehend konstant, da bei einer Erhöhung der Temperatur auch derDampfdruck steigt und die Vakuumpumpe 4 sofort ihre Leistungerhöhtum den anliegenden Unterdruck gleich zu halten. Damit hat auch diedem Wärmetauscher 1 zugeführte Kühlflüssigkeit,die der Verdampfungskammer 31 über die Förderpumpe 24 entnommenwird, immer die gleiche Temperatur.
    [0043] Wirdder Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 jedoch mit wechselnderLast betrieben, muss die Temperatur der in den Wärmetauscher 1 einströmenden Kühlflüssigkeitentsprechend angepasst werden. Damit kann ein großer Temperaturwechselhubder Wärmesenke 2 verhindertwerden. Da mit der erfindungsgemäßen Vorrichtungund dem erfindungsgemäßen Verfahrenim Gegensatz zu den bekannten Kühlsystemeneine sehr schnelle Temperaturänderungder Kühlflüssigkeit über eine Änderungdes an der Verdampfungskammer anliegenden Unterdrucks möglich ist,kann der Temperaturwechselhub der Wärmesenke 2 auf nahezuNull gebracht werden. Damit wird eine signifikante Lebensdauersteigerung desHochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 bewirkt. Die Druckänderungkann beispielsweise durch magnetisch oder piezoelektrisch gesteuerteBypassventile 13, 14 und/oder eine Leistungsänderungder Vakuumpumpe 4 erreicht werden.
    [0044] Wirdder Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 mit schnellem Lastwechselbetrieben, wird in vorteilhafter Weise das Ventil 13 etwasgeöffnet,so dass die mit Nennleistung betriebene Vakuumpumpe 4 nichtnur Dampf aus der Verdampfungskammer 31, sondern auch Kühlflüssigkeitaus der Bypassleitung 23 ansaugt. Die Kühlflüssigkeit kann so auch zur Schmierungder Vakuumpumpe 4 beitragen.
    [0045] Wirdnun überdas Amperemeter 20 eine Lasterhöhung des Hochleistungs-Diodenfaser-Barren 3 gemessen,wird sofort das Ventil 13 weiter geschlossen. Dadurch wirdder an der Verdampfungskammer 31 anliegende Unterdruckerhöhtund die Temperatur der Kühlflüssigkeitin der Verdampfungskammer 31 verringert. Da in dem primären Kühlkreislaufnur ein geringes Volumen an Kühlflüssigkeitzirkuliert, steht die kühlereKühlflüssigkeitaus der Verdampfungskammer 31 sehr schnell an dem Wärmetauscher 1 an.
    [0046] Beieinem regelmäßigen Lastwechselbetrieb kanndas Ventil 13 so gesteuert werden, dass die kühlere Kühlflüssigkeitimmer dann in den Wärmetauscher 1 einströmt wennsich die Temperatur der Wärmesenkeerhöhtund eine größere Wärmemenge andie Kühlflüssigkeitabgegeben werden muss.
    [0047] DerTemperaturhub ΔTentsteht durch den thermischen Widerstand Rth derWärmesenke 2 nach derBeziehung: ΔT= Rth·Pv. Wenn die abzuführende Verlustleistung Pv gleich Null wird, weil der Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 abgeschaltetist, geht die Temperaturdifferenz ebenfalls auf Null und der Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 nimmt über die Wärmesenke 2 schnelldie niedrigere Temperatur der Kühlflüssigkeitan.
    [0048] BeimEinschalten entsteht wiederum Verlustleistung am Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 und damitergibt sich wieder die Temperaturdifferenz zwischen Kühlflüssigkeitund Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3. Bei Schaltvorgängen imSekundenbereich ist dieser Effekt sehr ausgeprägt, nimmt allerdings mit zunehmenderFrequenz wegen der Wärmekapazitäten derWärmesenke 2 unddes Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 ab.
    [0049] Erfindungsgemäß wird synchronzum Ein- und Ausschalten des Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 dieTemperatur der Kühlflüssigkeitin dem Wärmetauschersehr schnell durch Absenken und Erhöhen des an der Verdampfungskammer 31 anliegendenUnterdrucks derart eingestellt, dass die Temperaturdifferenz genausogroß istwie die abfallende oder ansteigende Temperatur an der Wärmesenke 2 undso dieser Temperaturänderungentgegenwirkt. Dadurch bleibt die Temperatur im Lastwechselzyklusam Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 konstant.
    [0050] Diethermische Wechsellastbeanspruchung ist folglich sehr gering bzw.praktisch nicht mehr vorhanden. Die Steuerung des Systems erfolgt über eineMikroprozessorschaltung 21, in der die Systemeigenschaftenin Tabellen hinterlegt sind, oder die selbstlernend reagiert.
    [0051] Imersten Fall arbeitet die Mikroprozessorschaltung 21 imregeltechnischem Sinne als Steuerung, weil keine Rückkoppelungder Temperatur des Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 erforderlichist. In Abhängigkeitdes Lastfalls (z. B. Diodenstrom) wird auf eine vorher definierte,z. B. durch Messungen ermittelte, absolute Drucktabelle zugegriffenund dieser Druck in der Verdampfungskammer 31 mittels der Bypassventile 13, 14 und/oderder Regelung der Leistung der Vakuumpumpe 4 eingestellt.Die Bypasskreise 22, 14; 23, 13 wirkendirekt in die Öffnung derVakuumpumpe 4 und sind damit räumlich von der Verdampfungskammer 31 getrennt,so dass sie nicht zusätzlichkühlendauf die Wärmesenke 2 wirken, sondernnur die Vakuumpumpe 4 kühlenund den an der Verdampfungskammer 31 anliegenden Unterdruckverändern.
    [0052] Eineweitere, gleichwirkende, aber hier nicht gezeigte Möglichkeitwäre es, über einVentil Luft oder ein anderes Gas in den Unterdruckbereich des Kühlsystemseinströmenzu lassen.
    [0053] Wenndie Steuerung 21 selbstlernend ausgelegt ist (adaptivesRegelsystem), ist es notwendig die Temperatur des Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3,wie oben beschrieben, zu erfassen. Der adaptive Regelalgorhytmusbetrachtet die Temperaturdifferenzen in den verschiedenen Lastfällen undgeneriert bzw. modifiziert Drucktabellen über die wiederum der na derVerdampfungskammer 31 anliegende Unterdruck geregelt wird.
    [0054] Über dieMessung eines der Halbleiterverlustleistung entsprechenden proportionalenWertes kann die Regelung schnell durchgeführt werden. Bei langsamerenProzessen kann auf diese Synchronisation verzichtet werden. Hierist es möglich,die Temperaturkonstanz am Hochleistungs-Diodenlaser-Barren 3 über eineHalbleitertemperaturmessung und entsprechende Drucknachregelungzu erreichen. Fürdiese langsamen Regelvorgängeist kein Bypassystem notwendig, dies kann über die Regelung des Fördervolumensder Pumpe 4 erreicht werden.
    权利要求:
    Claims (15)
    [1] Vorrichtung zum Abführen von Wärmeenergie mit einem Kühlflüssigkeitskreislauf,mit einem Wärmetauscher,in dem die Wärmeenergieauf die Kühlflüssigkeit übertragenwird, und mit einer Kühlflüssigkeitspumpezum Fördernder Kühlflüssigkeitdurch den Wärmetauscherund den Kühlflüssigkeitskreislauf, dadurchgekennzeichnet, dass in den Kühlflüssigkeitskreislauf zum Abführen derWärmeenergieaus der Kühlflüssigkeitin Fließrichtungzwischen dem Wärmetauscherund der Kühlflüssigkeitspumpe eineVerdampfungskammer eingekoppelt ist, aus der die verdampfte Kühlflüssigkeitvon einer Vakuumpumpe abgesaugt wird.
    [2] Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass in Förderrichtungzwischen Verdampfungskammer und Vakuumpumpe eine Unterdruckleitungund zwischen Vakuumpumpe und Verdampfungskammer eine Überdruckleitungvorgesehen ist und dass übereine Steuereinrichtung Ventile und die Vakuumpumpe so ansteuerbarsind, dass an dem Ausgang der Verdampfungskammer ein steuerbarerUnterdruck anliegt.
    [3] Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass der Unterdruck am Ausgang der Verdampfungskammer so steuerbarist, dass die Kühlflüssigkeitin der Verdampfungskammer verdampft.
    [4] Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,dass in der Verdampfungskammer eine Einrichtung zum Trennen vonDampf und Kühlflüssigkeitvorgesehen ist.
    [5] Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,dass die Einrichtung eine zylindrische oder kegelstumpfförmige Mantelfläche miteiner Vielzahl von Löchernaufweist.
    [6] Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,dass innerhalb der Mantelflächeein sich drehender Rotor vorgesehen ist, der die Flüssigkeitnach außendurch die Löcherder Mantelfläche drückt.
    [7] Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,dass wenigstens eine Bypass-Leitung mit einem Steuerventil zwischen Überdruckleitung undUnterdruckleitung vorgesehen ist.
    [8] Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,dass ein Drucksensor zur Messung des Drucks in der Verdampfungskammervorgesehen ist.
    [9] Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass in der Überdruckleitungein Luft- oder Wasserwärmetauscherzum Abführender Wärmeenergiean die Umgebung angeordnet ist.
    [10] Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass vor dem Luft- oder Wasserwärmestauscherein Temperatursensor vorgesehen ist.
    [11] Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass hinter dem Luft- oder Wasserwärmetauscher ein Temperatursensorvorgesehen ist.
    [12] Verfahren zum Abführen von Wärmeenergie bei dem die abzuführende Wärmeenergiein einem Wärmetauscherauf eine Kühlflüssigkeit über tragen wird,die in einem Kühlflüssigkeitskreislaufdurch den Wärmetauscherund eine Kühlflüssigkeitspumpezirkuliert, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kühlflüssigkeitskreislauf Wärmeenergiedurch ein Verdampfen der Kühlflüssigkeitentzogen wird, in dem die Kühlflüssigkeiteinem Unterdruck ausgesetzt wird.
    [13] Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,dass die Verdampfungstemperatur des Kühlmittels in einer Verdampfungskammerkammer über denan der Verdampfungskammer anliegenden Unterdruck gesteuert wird.
    [14] Verfahren nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet,dass die Verdampfungstemperatur des Kühlmittels in der Verdampfungskammer über denanliegenden Unterdruck so gesteuert wird, dass die aus dem KühlmittelkreislaufabgeführteWärmemengeschnell an die auf den Kühlmittelkreislauf übertrageneWärmemengeangepasst werden kann.
    [15] Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,dass der Unterdruck in der Verdampfungskammer mit der Frequenz der Übertragungder Wärmeenergiean das Kühlmittelgegengesteuert wird.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    EP1582828A1|2005-10-05|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
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    法律状态:
    2005-11-03| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2007-05-31| 8143| Withdrawn due to claiming internal priority|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    EP040076374||2004-03-30||
    EP20040007637|EP1582828A1|2004-03-30|2004-03-30|Vorrichtung und Verfahren zum Kühlen von einem oder mehreren Halbleiterelementen und/oder laseraktiven Materialien|DE200511002140| DE112005002140A5|2004-06-27|2005-06-27|Vorrichtung zum Abführen von Wärmeenergie|
    PCT/DE2005/001140| WO2006000205A2|2004-06-27|2005-06-27|Vorrichtung zum abführen von wärmeenergie|
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