BR102016028371A2 - Thermal management systems and method - Google Patents

Abstract

“sistemas e método de gerenciamento térmico” de acordo com uma realização, trata-se de um sistema de gerenciamento térmico que inclui pelo menos uma armação de chassi configurada para minimizar uma resistência a propagação térmica do sistema de gerenciamento térmico. a armação de chassi inclui pelo menos um corpo de chassi, pelo menos um arcabouço térmico incorporado no corpo de chassi e um fluido de trabalho contido dentro do arcabouço térmico e usado para dissipar calor do corpo de chassi.

Description

“SISTEMAS E MÉTODO DE GERENCIAMENTO TÉRMICO” Antecedentes da Invenção [001] A operação de dispositivos eletrônicos necessita de gerenciamento térmico satisfatório para garantir uma função apropriada. À medida em que os dispositivos eletrônicos se tornam aquecidos, os dispositivos sofrem com degradação de desempenho de computação, falha funcional e vida útil inferior.

[002] Por exemplo, a capacidade aviônica é determinada pela habilidade de processamento de computação do sistema. Tipicamente há restrições de tamanho e peso para um sistema aviônico. Esses sistemas são limitados termicamente de tal modo que, para um dado volume, apenas um certo número de núcleos ou processadores pode operar antes que problemas térmicos como superaquecimento ocorram. Tipicamente, os processadores são significativamente reduzidos (até 80%) para evitar o superaquecimento em ambientes de temperatura ambiente alta - reduzindo drasticamente a capacidade. Se o calor puder ser removido do sistema de modo mais eficaz, mais potência de processamento e, finalmente, mais capacidade de processamento, é possível a partir do mesmo volume e peso.

[003] Há um número de métodos de resfriamento convencionais, tais como ventiladores e dissipadores de calor, que são usados atualmente para remover calor do circuito eletrônico e manter a faixa de temperatura operacional para os equipamentos eletrônicos. Os aprimoramentos tecnológicos continuaram a aumentar a densidade de dispositivo e reduzir empacotamento enquanto também aumentam a potência e a funcionalidade de computação, de tal modo que sistemas de gerenciamento térmico sejam um elemento operacional chave. Além disso, certas aplicações têm restrições no tamanho e no peso que limitam a capacidade de resfriamento e, portanto, limitam a e potência e a funcionalidade de processamento dos equipamentos eletrônicos.

[004] Alguns avanços aprimorados incluem canos de aquecimento e resfriamento a jato sintético. Canos de aquecimento fornecem alguns aprimoramentos de eficiência nas características térmicas enquanto jatos sintéticos fornecem, essencialmente, uma confiabilidade aprimorada em relação a ventiladores.

[005] Designers de sistema têm reconhecido cada vez mais que o gerenciamento térmico é um fator crítico para o emprego bem sucedido de equipamentos eletrônicos e atualmente projetam conjuntos e sistemas a fim de otimizar o desempenho térmico.

[006] A trajetória de condução térmica do cartão de circuitos até o reservatório frio é limitada pela tecnologia de propagação atual. Certos projetos convencionais incluem o uso de armações de calor de alumínio moído/usinado, materiais compósitos para chassi e montagens mais próximas do reservatório frio. Aspectos adicionais incluem a integração de estruturas de cano de aquecimento planas e lineares.

[007] O que é necessário para melhorar ainda mais a potência e a funcionalidade de processamento é fornecer o desempenho térmico.

Descrição Resumida da Invenção [008] De acordo com um aspecto da invenção, um sistema de gerenciamento térmico compreende pelo menos uma armação de chassi configurada para minimizar uma resistência a propagação térmica do sistema de gerenciamento térmico, sendo que a armação de chassi compreende: pelo menos um corpo de chassi configurado para otimizar seu peso substituindo-se pelo menos parte de sua estrutura metálica por material substituto mais leve; em que o material substituto mais leve compreende pelo menos um arcabouço térmico incorporado no corpo de chassi e configurado para fornecer uma trajetória de condução térmica para dissipação de calor do corpo de chassi; e um fluido de trabalho contido dentro do arcabouço térmico e usado para dissipar ainda mais o calor do corpo de chassi; e um dissipador de calor acoplado termicamente ao sistema e configurado para dissipar ainda mais o calor do fluido de trabalho.

[009] De acordo com outro aspecto da invenção, um sistema de gerenciamento térmico compreende pelo menos uma armação de chassi configurada para minimizar uma resistência a propagação térmica do sistema de gerenciamento térmico, sendo que a armação de chassi compreende: pelo menos um corpo de chassi; pelo menos um arcabouço térmico incorporado no corpo de chassi; e um fluido de trabalho contido dentro do arcabouço térmico e usado para dissipar calor do corpo de chassi.

[010] De acordo com outro aspecto da invenção, um método compreende minimizar uma resistência a propagação térmica em uma armação de chassi que compreende: fornecer um corpo de chassi; otimizar um peso do corpo de chassi removendo-se pelo menos parte de sua estrutura metálica; incorporar pelo menos um arcabouço térmico no corpo de chassi e, assim, fornecer uma trajetória de condução para dissipação de calor do corpo de chassi; transportar um fluido de trabalho dentro do arcabouço térmico para dissipação adicional de calor do corpo de chassi; e reduzir pelo menos um dentre: gradiente térmico, não uniformidade térmica e uma pluralidade de pontos de aquecimento dentro do corpo de chassi.

[011] Esses e outros aspectos, recursos e vantagens desta revelação se tornarão evidentes a partir da descrição detalhada a seguir dos vários aspectos da revelação tomados juntamente com os desenhos anexos.

Figuras [012] As realizações descritas no presente documento se tornarão mais bem compreendidos quando a descrição detalhada a seguir for lida com referência às Figuras anexas, nas quais os caracteres semelhantes representam partes semelhantes ao longo das Figuras, em que: A Figura 1 mostra um conjunto de armação de chassi convencional; A Figura 2 mostra o fluxo térmico em um chassi convencional com conjunto anexado; A Figura 3 ilustra uma realização do presente sistema que incluir um arcabouço térmico integrado; A Figura 4 retrata uma trajetória de fluxo térmico através do arcabouço térmico de acordo com uma realização; A Figura 5 é outro exemplo do arcabouço térmico e várias estruturas de mecha não uniformes; A Figura 6 mostra uma realização de arcabouço térmico com estruturas de mecha para suporte e fluxo de fluido melhorados; A Figura 7 retrata várias realizações das características estruturais para os suportes internos para o arcabouço térmico 3D; A Figura 8 retrata diversos exemplos da estrutura de mecha não uniforme; A Figura 9 mostra realizações de arcabouço térmico com aletas ocas integradas; A Figura 10 é outro exemplo do arcabouço térmico com parede em conformidade e estruturas de mecha; A Figura 11 mostra um sistema de gerenciamento térmico como um conjunto vertical que inclui diversos conjuntos de arcabouços térmicos montados verticalmente para formar o corpo de chassi; A Figura 12 mostra um sistema de gerenciamento térmico como um conjunto plano que inclui dois ou mais dos arcabouços térmicos montados de modo plano para formar o corpo de chassi; A Figura 13 mostra um sistema de gerenciamento térmico como uma combinação de conjunto vertical e plano que inclui quatro ou mais dos arcabouços térmicos montados de modo plano e vertical para formar o corpo de chassi; A Figura 14 mostra um aprimoramento em condução térmica; e A Figura 15 mostra um método de gerenciamento térmico de acordo com uma realização deste pedido.

Descrição Detalhada Da Invenção [013] Realizações exemplificativas são descritas abaixo em detalhes com referência às figuras em anexo, em que as referências numéricas iguais denotam as mesmas partes ao longo das figuras. Algumas dessas realizações podem atender às necessidades acima e outras.

[014] O sistema de gerenciamento térmico em um exemplo descreve um dispositivo de gerenciamento térmico que compreende um arcabouço térmico que contém um fluido de trabalho. Em um exemplo, uma estrutura de mecha interna projetada especialmente dentro do arcabouço térmico interage com o fluido de trabalho para melhorar a transferência de calor e transporte de fluido de trabalho de duas fases. Uma parte da estrutura interna inclui estruturas finas projetadas para fornecer forças capilares intensas ao fluido de trabalho em locais onde forem necessárias. Outras partes da estrutura interna incluem estruturas finas projetadas para transportar o fluido de trabalho com uma queda de pressão mínima enquanto evitam a interferência com o estado de vapor do fluido de trabalho. Estruturas de suporte adicionais, como parte da estrutura interna, agem para sustentar internamente e reforçar o arcabouço térmico e, assim, fornecer trajetórias adicionais para transporte de fluidos. Cartões de circuitos de trabalho, normalmente, que geram perdas de calor parasíticas são conectados termicamente ao sistema de gerenciamento térmico. Na realidade, o sistema de gerenciamento térmico estabelece uma trajetória de condução térmica projetada especialmente entre os cartões de circuitos e um reservatório frio e um dissipador de calor e, assim, transfere o calor entre os cartões de circuitos para o reservatório frio e dissipadores de calor.

[015] A Figura 1 retrata um sistema de gerenciamento térmico convencional 100. Referindo-se à Figura 1, uma armação de chassi convencional 102 é feita de um corpo de chassi 104. O corpo de chassi 104 aloja e retém um número de cartões de circuitos 108 de tamanho e formato variados e é preso dentro do corpo de chassi 104. Os cartões de circuitos são dispostos nos cartões de circuitos 108 e podem incluir componentes tais como processadores e outros tais componentes que geram calor considerável. O corpo de chassi 104 é mostrado tendo um número de ranhuras de chassi interiores 112 para vedar um número de cartões de circuitos 108. O corpo de chassi 104 tem uma rede de aletas de chassi exteriores 113 ao redor do perímetro do corpo de chassi 104 para fornecer transferência de calor. As aletas de chassi 113 estão tipicamente em três lados, tal como direita, esquerda e topo. Quando há múltiplos equipamentos eletrônicos no corpo de chassi, pode haver calor considerável gerado pelos componentes individuais de tal modo que outros recursos de transferência de calor tais como canos de aquecimento possam ser utilizados. Neste exemplo, os cartões de circuitos 108 são inseridos no corpo de chassi 104 por meio das ranhuras 112 com o uso de diversos meios de fixação (não mostrado) para prender os cartões de circuitos 108 ao corpo de chassi 104.

[016] Em tal sistema convencional, os cartões de circuitos transferem tipicamente o calor dos componentes em cartões de circuitos 108 para o corpo de chassi 104, particularmente uma vez que os componentes podem ter formato/tamanho diferentes e a armação de chassi 102 é configurada para permitir a altura de componente mais alta. Uma transferência de calor mais eficiente ocorre quando os componentes estão mais próximos do corpo de chassi 104. Desse modo, no sistema convencional, a transferência de calor para componentes inferiores que geram calor não é ótima. Além disso, certos componentes nos cartões de circuitos 108 geram mais calor e podem resultar em pontos de aquecimento ou localizações em que há mais calor que precisa ser dissipado. O corpo de chassi 104 é construído tipicamente de um material tal como alumínio ou outro metal para fornecer transferência de calor eficiente ou tem um tamanho suficiente para facilitar a transferência de calor.

[017] Embora essa forma de dissipação de calor funcione até certo ponto, a mesma pode dissipar apenas uma certa quantidade de calor gerado pelos componentes dos cartões de circuitos 108 e necessita de um mecanismo de dissipação de calor grande. À medida em que as capacidades de processamento aumentaram, os componentes individuais e o chassi geral diminuíram em tamanho e necessitam de capacidades de dissipação de calor ainda maiores em um espaço menor.

[018] A Figura 2 mostra a trajetória de fluxo térmico em uma armação de chassi convencional 102 da Figura 1 sem o conjunto de cartões de circuitos 108. Especificamente, a Figura 2 é uma perspectiva lateral em recorte e retrata uma armação de chassi convencional 102. Conforme observado na Figura 1, os componentes dos cartões de circuitos 108 geram calor que é conduzido até o corpo de chassi 104. O corpo de chassi 104 propaga ainda mais o calor até a armação de chassi 102 e, então, até as aletas 113. Desse modo, o calor é finalmente dissipado para o ambiente e as aletas 113 são projetadas para serem grandes o suficiente para dissipar o calor esperado geral. A Figura 2 mostra um ponto de aquecimento ou região mais quente 122 e uma região mais fria 124. O ponto de aquecimento 122 é onde a concentração de calor local ocorre devido a dissipação de calor inadequada através do sistema tipicamente devido à resistência a propagação térmica do sistema. Tipicamente, tal resistência a propagação térmica é causada por diversos eventos de concentração térmica tais como gradiente térmico, não uniformidade térmica e formação de ponto de aquecimento dentro do corpo de chassi 104. Neste exemplo, os componentes de ponto de aquecimento podem ser submetidos a degradação ou falha. Alternativamente, o sistema pode ser muito complexo por ser maior ou ter recursos de resfriamento térmico maiores em um fator de forma maior e/ou sistema menos eficiente.

[019] A Figura 3 ilustra uma realização do presente sistema que inclui um sistema de gerenciamento térmico integrado 200 para dissipação de calor melhorada. O sistema de gerenciamento térmico 200 inclui uma armação de chassi 202 configurada para minimizar uma resistência a propagação térmica do sistema de gerenciamento térmico. A armação de chassi 202 inclui um corpo de chassi 204 e um arcabouço térmico 206 incorporado no corpo de chassi 204. O arcabouço térmico 206 fornece uma trajetória de condução térmica para o calor e pode incluir componentes térmicos tais como canos de aquecimento, hastes de cobre, hastes de diamante e hastes de grafite. Em uma realização da invenção, uma única estrutura de cano de aquecimento tridimensional hermética serve como o arcabouço térmico 206. Em outra realização da invenção, uma estrutura de cano de aquecimento tridimensional construída a partir de canos de aquecimento adjacentes serve como o arcabouço térmico 206.

[020] Neste exemplo, um fluido de trabalho 207 está contido dentro do arcabouço térmico 206 e é usado para dissipar calor do corpo de chassi 204. O sistema de gerenciamento 200 inclui, ainda, um reservatório frio 214 e um dissipador de calor 216 acoplado termicamente à armação de chassi 202 e configurado para dissipar ainda mais o calor do fluido de trabalho 207.

[021] O sistema de gerenciamento térmico integrado 200 pode ser fabricado por fabricação de aditivos. Especificamente, o corpo de chassi 204 é formado por fabricação de aditivos. Conforme usado no presente documento fabricação de aditivos se refere a técnicas de processamento tal como impressão 3D, preparação de protótipos rápida (RP), fabricação digital direta (DDM), fusão a laser seletiva (SLM), fusão por feixe de elétrons (EBM) e fusão a laser de metal direto (DMLM).

[022] A armação de chassi 202 aloja uma pluralidade de cartões de circuitos 208 (Figura 4) que compreendem componentes de geração de calor que variam em tamanho e formato. Adicionalmente, o corpo de chassi 204 está em estreita proximidade com componentes de geração de calor 208. Adicionalmente, o corpo de chassi 204 é configurado para otimizar seu peso substituindo-se pelo menos parte de sua estrutura metálica por um material substituto mais leve. E em uma realização, o material substituto mais leve é o próprio arcabouço térmico 206.

[023] Além disso, a armação de chassi 202 em um exemplo é projetada para estar em estreita proximidade para acoplamento condutivo não apenas com a superfície superior ou topo dos cartões de circuitos 208, porém, em alguns exemplos, em um ou mais lados do cartão de circuitos 208. A habilidade de efetuar a transferência de calor ao longo de uma área de superfície maior dos cartões de circuitos 208 melhora bastante as capacidades de gerenciamento térmico do corpo de chassi 204. Em um exemplo, o corpo de chassi 204 é acoplado de modo condutivo à superfície de topo e pelo menos uma superfície lateral dos cartões de circuitos 208. Conforme usado no presente documento, acoplado de modo condutivo se refere a estar em estreita proximidade, em proximidade direta ou indireta com um componente de tal modo que a transferência de calor possa ocorrer. Para o contato indireto, um material tal como um material de interface térmico (não mostrado) pode ser utilizado. O corpo de chassi 204 é mostrado tendo um número de ranhuras de chassi interiores 212 para vedar um número de cartões de circuitos 208.

[024] A Figura 4 retrata uma trajetória de fluxo térmico através do arcabouço térmico de acordo com uma realização. Referindo-se à Figura 4, uma armação de chassi 202 é retratada em uma vista em perspectiva lateral em recorte. O arcabouço térmico 206 é incorporado no corpo de chassi 204 e é projetado de modo personalizado para conformar com os cartões de circuitos 208 de geração de calor e otimizar a transferência de calor estando em estreita proximidade com os componentes. Em um exemplo, o arcabouço térmico 206 é configurado para conduzir calor na trajetória de fluxo térmico 209 exemplificativa de pelo menos uma superfície dos cartões de circuitos 208, em particular aqueles que geram a maior quantidade de calor. Em outro exemplo, o arcabouço térmico 206 é configurado para conduzir calor na trajetória de fluxo térmico 209 exemplificativa a partir de mais de uma superfície dos cartões de circuitos 208 tal como a superfície de topo e uma ou mais superfície laterais.

[025] Em uma realização, o arcabouço térmico 206 compreende uma estrutura de mecha porosa (explicado em mais detalhes abaixo) nas paredes interiores e a estrutura de mecha porosa é configurada para transportar o fluido de trabalho através de ação capilar de uma porção aquecida para o reservatório frio 214 e um dissipador de calor 216 localizado próximo a pelo menos um dos lados. O líquido é convertido para vapor pelos cartões de circuitos 208 aquecidos, em que o vapor absorve o calor e se move para fora em direção ao reservatório frio 214 em que o vapor é condensado de volta para líquido. Desse modo, o reservatório frio 214 e um dissipador de calor 216 fornecem uma transferência de calor adicional de tal modo que o calor do vapor seja removido e se transforme em líquido.

[026] A Figura 5 é um exemplo de um arcabouço térmico 206 com várias estruturas de mecha não uniformes. Na Figura 5 o conjunto de arcabouço térmico nesta realização ilustra um arcabouço térmico 206 fino com as estruturas de mecha 222 e/ou 224 formado na parede interior do arcabouço térmico 206. Em um exemplo, a mecha é uma mecha não uniforme através da direção de espessura 222. Em um exemplo adicional, a mecha é uma mecha não uniforme nas direções plana e de espessura 224. Conforme usado no presente documento, a “espessura” se refere a dimensões normais à pele ou à superfície mais externa do arcabouço térmico e “plana” se refere a dimensões paralelas ou coplanares à pele ou à superfície mais externa do arcabouço térmico.

[027] A Figura 6 mostra outro exemplo do arcabouço térmico 206 que tem suportes internos. A Figura 6 mostra a realização de arcabouço térmico 206 com estruturas de mecha fora do plano para suporte e fluxo de fluidos melhorados. Referindo-se à Figura 6, o arcabouço térmico 206 é retratado mostrando suportes internos ou postes 232 exemplificativos que podem ser usados para melhorar a dureza e aumentar o retorno de líquido. Neste exemplo, o arcabouço térmico 206 inclui um ou mais postes 232 que acrescentam dureza maior ao conjunto. Um aspecto adicional dos suportes 232 é aumentar o transporte de líquidos por meios ou por ação capilar. Em uma realização da invenção, os postes 232 são sólidos e, em outra realização da invenção, os postes 232 são ocos. Os cartões de circuitos 208 que geram calor que é transportado para o arcabouço térmico 206 devido à estreita proximidade com pelo menos um lado do arcabouço térmico 206. O calor do cartão de circuitos 208 converte o líquido no arcabouço térmico 206 para vapor que é, então, transportado para o reservatório frio 214 e o dissipador de calor 216 e convertido para líquido. O líquido é transportado pela estrutura de mecha 232 que é formada no arcabouço térmico 206. Os postes 232 neste exemplo são estruturas de mecha formadas integralmente que fornecem capacidade adicional para transportar o líquido.

[028] A Figura 7 mostra outra realização do arcabouço térmico 206 com estruturas de suporte internas 242, 244 que também podem servir como artérias alimentadoras para o líquido de trabalho. Os cartões de circuitos 208 geram calor que é transferido para o arcabouço térmico 206 que causa evaporação do líquido nas estruturas de mecha 242, 244 e converte o líquido para vapor que percorre acima das estruturas de mecha 242, 244 para os receptáculos. As estruturas de suporte internas 242, 244 em um exemplo se assemelham a vigas de ponte de ponte ou outras estruturas inspiradas biologicamente para o estojo de arcabouço térmico para resistência alta e peso baixo. Tipicamente, a espessura do estojo de arcabouço térmico é de 100 a 150 mícrons. Entretanto, com o uso de estruturas de suporte tais como 242, 244, o estojo de arcabouço térmico e os recursos de mecha podem ser produzidos mais finos, especialmente próximos aos cartões de circuitos quentes e aletas aprimoradas para diminuir a resistência térmica. A estrutura de mecha e as estruturas de suporte em um exemplo são formadas integralmente por impressão 3D ou outros processos de fabricação de aditivos.

[029] A Figura 7 retrata várias realizações e características estruturais para os suportes internos para os arcabouços térmicos 3D descritos no presente documento. Os suportes internos são usados, por exemplo, para manter o formato do arcabouço térmico e as dimensões para o transporte de vapor e líquido. O arcabouço térmico 206, em uma realização adicional, inclui suportes internos que são fabricados por meio do processo de impressão 3D em diversos projetos, número, formatos e tamanhos tal como mostrado na Figura 7. Em um exemplo, os suportes internos 242 incluem artérias alimentadoras de líquido para facilitar o transporte de líquido. Outro exemplo inclui ter estruturas de suporte internas sólidas que são curvadas ou têm uma porção curvada. Em outras realizações, os suportes 244 compreendem uma ou mais estruturas de suporte internas sólidas com cintas que podem ser perpendiculares dentro do estojo de arcabouço térmico ou anguladas. Por exemplo, os suportes internos podem ser estruturas porosas que podem ser retas ou curvadas. Operacionalmente, os suportes devem ser projetados de tal modo que os arcabouços térmicos possam resistir à pressão atmosférica a qualquer hora. Especificamente, os arcabouços térmicos não devem ser desmontados sob pressão atmosférica alta nem devem implodir sob pressão atmosférica baixa. Adicionalmente, os suportes devem ser projetados de tal modo que os arcabouços térmicos não afetem a dureza ou rigidez geral desejada do conjunto de chassi.

[030] O número dos suportes internos pode ser dependente dos critérios de projeto e fatores incluem o suporte necessário para o estojo de arcabouço térmico e as propriedades térmicas dos vários suportes. O tamanho e o formato para os suportes internos também dependem dos critérios de projeto e exigências térmicas/mecânicas. Sempre que for desejado apenas que os suportes concedam resistência estrutural ao arcabouço térmico, suportes sólidos são usados. Por outro lado, quando os suportes são desejados adicionalmente para resfriamento melhorado dos cartões de circuitos, uma estrutura de mecha é usada.

[031] De acordo com uma realização, há várias estruturas de mecha que são empregadas com os conjuntos arcabouço térmico. Em um exemplo, as estruturas de mecha são formadas a partir de processos de fabricação de aditivos tal como impressão 3D. As estruturas de mecha podem ser estruturas de mecha uniformes e não uniformes em múltiplas direções. De acordo com uma realização, as estruturas de mecha são empregadas dentro do espaço interno do arcabouço térmico e também servem como estruturas de suporte internas.

[032] A Figura 8 retrata, ainda, diversos exemplos da estrutura de mecha não uniforme. Especificamente, a Figura 8 mostra uma vista em perspectiva de uma estrutura de mecha não uniforme 252 na direção de espessura (direção z). Na Figura 8, a estrutura de mecha não uniforme 252 na direção de espessura mostra os poros 254 que, neste exemplo, tem poros de tamanho maior próximos ao arcabouço térmico para transportar o líquido. Os poros no lado de vapor são de um tamanho de poro menor e transportam o vapor para receptáculos no arcabouço térmico. Os poros nestes exemplos são espaços redondos ou curvados, em que a estrutura de mecha curvada permite impressão 3D em qualquer orientação que permite arcabouços térmicos não planos.

[033] As estruturas na Figura 8 são um exemplo de uma classe de geometrias por fabricação de aditivos em quase qualquer orientação e transições diretas de poros maiores para menores e vice-versa. O um exemplo mostrado é para “orifícios de broca” cilíndricos circulares ao longo dos três eixos geométricos. Deve ser observado que, além dos planos em corte, não há superfícies retas nessa geometria de escala de poros. Esse atributo é usado para orientação de construção de estruturas de mecha não uniformes independentes. As figuras mostram estruturas de mecha não uniformes construídas em um planar superfície, porém, uma realização adicional fornece deformação dessas estruturas de mecha para seguir uma superfície 3D curvada que, em um exemplo, tem um raio grande de curvatura em relação à espessura da camada de estrutura de mecha. Essas estruturas de mecha representativas 252 que são impressas em 3D podem ser construídas em orientações numerosas, diferentemente de postes ou cintas, devido ao fato de que são construídas com curvas ou porções de arco. Por exemplo, grandes saliências não podem ser impressas de modo eficaz sem estruturas de suporte e essas estruturas de mecha permitem suportes de construção interna que podem ser integrados com as superfícies internas, nomeadamente o lado de vapor e o lado de invólucro do arcabouço térmico.

[034] A Figura 9 mostra realizações de arcabouço térmico com aletas ocas integradas. Conforme mostrado na Figura 9, o arcabouço térmico 206 é mostrado de acordo com ainda outro exemplo. Neste exemplo, as aletas de arcabouço térmico 262 são aletas de arcabouço térmico ocas, permitindo, assim uma área de superfície maior para transporte de calor. A área de superfície de condensador grande associada às aletas 262 diminui drasticamente a contribuição da resistência térmica de condensação (queda de temperatura) na cadeia de resistência térmica. Em outra realização, as aletas ocas podem ser substituídas por outros mecanismos de troca de calor tal como um trocador de calor de fluido integral ou uma interface de placa fria acoplada ao sistema.

[035] A Figura 10 é outro exemplo do arcabouço térmico 206 com parede em conformidade e estruturas de mecha; Referindo-se à Figura 10, o arcabouço térmico 206 inclui uma parede interior 211 (estojo de arcabouço térmico) e estruturas de mecha 272. Quanto à parede 211, a mesma está em conformidade com o topo dos cartões de circuitos 208 representado por um retângulo angulado. O retângulo é, algumas vezes, angulado/inclinado devido ao fato de que os cartões de circuitos são “tombados” em relação a PCB devido a tolerâncias de fabricação e, desse modo, podem ter um perfil de topo não horizontal. Operacionalmente, o estojo de arcabouço térmico 211 precisa se adaptar ao perfil de topo angulado e pelo menos aquela área da parede de estojo de arcabouço térmico é produzida em conformidade. Representações exageradas de cumes no estojo de arcabouço térmico permitem a conformidade desejada sem deformação. Em outros exemplos, além da parede 211, as estruturas de mecha 272 associadas à parte em conformidade da parede 211 também são produzidas em conformidade. Referindo-se novamente à Figura 10 mais uma vez, 272 se refere à pluralidade de estruturas de mecha que estão em conformidade. Há várias formas que essas partes em conformidade do estojo de arcabouço térmico 211 e as estruturas de mecha 272 podem ser permutadas e combinadas conforme descrito acima.

[036] A Figura 11 mostra um sistema de gerenciamento térmico 282 como um conjunto vertical, incluindo diversas armações de chassi 202, montadas junto com porções de estojo de chassi tal como uma montagem de chassi superior e inferior para formar o chassi 282. Referindo-se novamente à Figura 11, o conjunto empilhado modular 282 inclui múltiplas armações de chassi 202, sendo cada uma configurada para ser empilhada para formar a unidade maior. Em um exemplo, os conjuntos 202 são acoplados a respectivos conjuntos de arcabouço térmico que são, então, combinados no respectivo corpo de chassi 204. Conforme descrito anteriormente, os conjuntos podem ser acoplados aos conjuntos de arcabouço térmico tal como através de encaixe por atrito ou outros mecanismos de preensão. As armações de chassi 202 que incluem o corpo de chassi 204 e o arcabouço térmico 206 correspondentes são presas umas às outras através de mecanismos de fixação tais como parafusos. Pode haver qualquer número de conjuntos de arcabouço térmico empilhados e presos como um conjunto unitário. As porções mais externas do conjunto empilhado modular podem ou podem não ser acopladas e podem ser usadas para empacotamento e preensão dos conjuntos.

[037] A Figura 12 mostra um sistema de gerenciamento térmico 284 como um conjunto plano tal como circular, quadrado ou retangular, que inclui duas ou mais armações de chassi 202 particionadas montadas de modo plano para formar o chassi do sistema 284. Referindo-se novamente à Figura 12, o sistema de gerenciamento térmico montado 284 tem uma armação de chassi que inclui um número de módulos/arcabouços térmicos particionados 202 a partir de uma perspectiva plana. Em um exemplo, uma unidade de armação de chassi típica é substituída por diversos arcabouços térmicos 206 dispostos de uma maneira plana que acopla os arcabouços térmicos com um respectivo corpo de chassi 204 e montada para fornecer suporte térmico e estrutural ao sistema de gerenciamento térmico 284. Nesta configuração, mesmo se um dos arcabouços térmicos 206 for danificado, os outros arcabouços térmicos continuam a sustentar a resfriar os equipamentos eletrônicos. Tal estrutura de sistema sustenta iniciativas de redundância e de missão crítica. A Figura 13 mostra um sistema de gerenciamento térmico 286 como uma combinação dos recursos dos sistemas na Figura 11 e 12. Em referência à Figura 13, um número de armações de chassi 202 é disposto de tal modo que algumas sejam empilhadas verticalmente e algumas sejam montadas de modo plano.

[038] A Figura 14 mostra a trajetória de fluxo térmico em uma armação de chassi 202 da Figura 3 sem o conjunto de cartões de circuitos 208. Especificamente, a Figura 14 é uma perspectiva lateral em recorte e retrata uma armação de chassi convencional 202. Conforme observado na Figura 3, os cartões de circuitos 208 geram calor que é conduzido para o arcabouço térmico 206 e, então, para o corpo de chassi 204. O corpo de chassi 204 propaga ainda mais o calor até a armação de chassi 202 e, então, até as aletas 262 (Figura 9). Desse modo, o calor é dissipado, finalmente, para o ambiente e as aletas 262 que são projetadas para serem grandes o bastante para dissipar o calor esperado dos cartões de circuitos. A Figura 14 mostra a região mais quente 292 e a região mais fria 294 que é bastante reduzida ou eliminada em comparação ao sistema na Figura 2. Isso é alcançado empregando-se uma trajetória de condução de calor através dos arcabouços térmicos 206 e reduzindo, assim, a resistência a propagação térmica do sistema. Tipicamente, tal resistência a propagação térmica é causada por diversos eventos de concentração térmica tais como gradiente térmico, não uniformidade térmica e formação de ponto de aquecimento dentro do corpo de chassi 204 e aqueles são reduzidos evidentemente pela operação do arcabouço térmico 204.

[039] A Figura 15 mostra um método 300 de gerenciamento térmico. O método inclui o fornecimento de um corpo de chassi como na etapa 302 e a otimização do corpo de chassi removendo-se parte de sua estrutura metálica como na etapa 304. O método também inclui incorporar um arcabouço térmico no corpo de chassi e fornecer uma trajetória de condução para dissipação de calor como na etapa 306. O método também inclui transportar um fluido de trabalho dentro do arcabouço térmico como na etapa 308. O método inclui, ainda, reduzir gradiente térmico, não uniformidade térmica e pontos de aquecimento como na etapa 312.

[040] Em funcionamento, de acordo com uma realização, o sistema de gerenciamento térmico inclui um arcabouço térmico que tem uma parede interna com estruturas de mecha internas dispostas na parede interna, fluido de trabalho interno e estruturas de suporte internas adicionais. O sistema em um exemplo é produzido como uma única estrutura unitária, em que o estojo, as estruturas de mecha e as estruturas de suporte internas são formadas integralmente durante a formação através de impressão 3D ou outro processo de Fabricação de Aditivos. O fluido de trabalho é adicionado tipicamente à estrutura interna até que a mecha seja saturada, então, o outro estojo é vedado. Esse processo de preenchimento introduz o fluido de trabalho no interior do estojo. Em certos exemplos, um pouco do fluido estará no estado de líquido, enquanto um pouco poderá estar no estado de vapor Quando uma parte do sistema de gerenciamento térmico é conectada termicamente a um reservatório frio e outra parte de uma fonte de calor tais como cartões de circuitos, o calor é conduzido da fonte de calor, através da parede de envelope de recipiente adjacente e para a estrutura de mecha adjacente que é saturada com líquido. Essa adição de calor faz com que a fase líquida do fluido de trabalho ferva até a fase de vapor dentro do recipiente. O processo é similar àquele de um cano de aquecimento operacional.

[041] Em uma realização, a estrutura de mecha é projetada de tal modo que recursos bastante finos estejam presentes próximos à fonte de calor, aumentando, desse modo, a intensidade da força capilar. Entretanto, as estruturas finas têm uma resistência alta de fluido. Portanto, a estrutura de mecha entre o reservatório frio e a fonte de calor é projetada como uma estrutura áspera com recursos lisos que minimizam a resistência de fluido. As estruturas finas e ásperas são projetadas para maximizar a taxa de transporte de fluido e, desse modo, a quantidade ótima de calor pode ser transferida.

[042] Em outra realização, a estrutura de mecha entre o reservatório frio e a fonte de calor inclui estruturas mais finas próximas ao vão de vapor e estruturas mais ásperas próximas à parede de recipiente. As estruturas mais finas evitam que a fase líquida do fluido de trabalho que atravessa a mecha interaja com a fase de vapor do fluido de trabalho que atravessa o espaço de vapor na direção oposta. As estruturas mais ásperas próximas à parede de recipiente permitem que o líquido atravesse a mecha com queda de pressão mínima. Em um exemplo, a trajetória de condução térmica do cartão de circuitos até o reservatório frio é melhorada transportando-se o fluido de trabalho (qualquer mistura de líquido e vapor) contido dentro do arcabouço térmico por meio de ação capilar através de qualquer combinação da estrutura de mecha e da estrutura de suporte interna para dissipar o calor da armação de chassi.

[043] O conjunto, em um exemplo, melhora a capacidade térmica e a estrutura inteira é fabricada com o uso de tecnologia de fabricação de aditivos para permitir geometrias complexas que se conformam com os cartões de circuitos. Embora as figuras indiquem “bolsos” para os cartões de circuitos quentes, em uma realização exemplificativa, o estojo de arcabouço térmico “se conforma” aos cartões de circuitos quentes por meio de “bolso”, “planos” ou “postes”, conforme necessário. De acordo com um exemplo, a estrutura de mecha é uma mecha não uniforme orientada na direção de espessura. Em outro exemplo, a estrutura de mecha é uma mecha não uniforme que tem uma espessura e direções planas.

[044] Em um sistema de gerenciamento térmico para equipamentos eletrônicos em um chassi, os cartões de circuitos têm perdas de calor parasíticas que se acoplaram termicamente ao dispositivo. Essas perdas são removidas a fim de manter um ambiente de operação apropriado para os equipamentos eletrônicos. Em um exemplo, o presente sistema move o calor do cartão de circuitos tal como para reservatórios dissipador de frio, mantendo, desse modo, o cartão de circuitos em temperatura baixa.

[045] Os presentes sistemas reduzem a resistência térmica dessa trajetória de condução térmica enquanto mantêm ou diminuem o peso do sistema. Certas vantagens técnicas do presente sistema incluem peso baixo, resistência térmica baixa, formatos e fatores de forma ilimitados, construção de peça única unitária. Vantagens comerciais incluem projetos personalizados, preço inferior e maior capacidade e maiores elementos térmicos no mesmo volume.

[046] Deve-se entender que a descrição supracitada é intencionada a ser ilustrativa, e não restritiva. Por exemplo, as realizações (e/ou aspectos das mesmas) descritas acima podem ser utilizadas em combinação entre si. Além disso, muitas modificações podem ser feitas para adaptar uma situação ou material particular às instruções das várias realizações sem se afastar de seu escopo. Embora as dimensões e tipos de materiais descritos no presente documento sejam destinados a definir os parâmetros das várias realizações, os mesmos não são, de nenhum modo, limitantes e são meramente exemplificativos. Muitas outras realizações ficarão evidentes para aqueles versados na técnica pela análise da descrição acima. O escopo das várias realizações deveria, por esse motivo, ser determinado com referência às reivindicações anexas, juntamente com o escopo de equivalentes completo para o qual tais reivindicações são designadas. Nas reivindicações anexas, os termos “que inclui” e “na(no) qual” são usados como equivalentes de linguagem simples dos termos respectivos “que compreende” e “em que”. Além disso, nas reivindicações a seguir, os termos "primeiro", "segundo", "terceiro", etc. são usados meramente como identificações, e não se destinam a impor exigências numéricas em seus objetos.

[047] Adicionalmente, as limitações das reivindicações a seguir não são escritas em um formato de meios-mais-função e não são destinadas a serem interpretadas com base no documento 35 U.S.C. § 112, parágrafo sexto, a menos que e até que tais limitações de reivindicações expressamente usem a expressão “meios para” seguida de um enunciado sem nenhum tipo de função ou estrutura adicional. Deve-se compreender que não necessariamente todos os objetivos ou vantagens descritas acima podem ser alcançados de acordo com qualquer realização particular. Dessa forma, por exemplo, as pessoas versadas na técnica irão reconhecer que os sistemas e as técnicas descritos no presente documento podem ser incorporados ou executados de tal forma que alcancem ou aperfeiçoem uma vantagem ou grupo de vantagens conforme ensinado no presente documento, sem necessariamente alcançar outros objetivos ou vantagens que possam ser ensinados ou sugeridos no presente documento.

[048] Embora a invenção tenha sido descrita em detalhes em conjunto com apenas um número limitado de realizações, deve-se compreender prontamente que a invenção não se limita a tais realizações apresentadas. Ao contrário, a invenção pode ser modificada para incorporar quaisquer tipos de variações, alterações, substituições ou disposições equivalentes não descritas até o momento, mas que são proporcionais ao espírito e ao escopo da invenção. Adicionalmente, embora várias realizações da invenção tenham sido descritas, deve ser entendido que os aspectos da revelação podem incluir somente algumas das realizações descritas. Consequentemente, a invenção não deve ser vista como limitada pela descrição anteriormente mencionada, mas é apenas limitada pelo escopo das reivindicações anexas.

[049] Essa descrição escrita usa exemplos para apresentar a invenção, inclusive o melhor modo, e também para capacitar qualquer pessoa versada na técnica a praticar a invenção, inclusive a fazer e usar quaisquer aparelhos ou sistemas, e a executar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorram às pessoas versadas na técnica. Tais outros exemplos são planejados para estarem no interior do escopo das reivindicações se possuírem elementos estruturais que não os diferenciem a partir da linguagem literal das reivindicações, ou se eles incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais a partir da linguagem literal das reivindicações.

Reivindicações

Claims (20)

1. SISTEMA DE GERENCIAMENTO TÉRMICO, caracterizado pelo fato de que compreende: pelo menos uma armação de chassi configurada para minimizar uma resistência a propagação térmica do sistema de gerenciamento térmico, sendo que a armação de chassi compreende: pelo menos um corpo de chassi; pelo menos um arcabouço térmico incorporado no corpo de chassi; e um fluido de trabalho contido dentro do arcabouço térmico e usado para dissipar calor do corpo de chassi.

2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o arcabouço térmico fornece uma trajetória de condução térmica para o calor e compreende pelo menos um dentre: uma pluralidade de canos de aquecimento; uma única estrutura de cano de aquecimento tridimensional hermética; uma estrutura de cano de aquecimento tridimensional construída a partir de canos de aquecimento adjacentes; uma pluralidade de hastes de cobre; uma pluralidade de hastes de diamante; e uma pluralidade de hastes de grafite.

3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o arcabouço térmico compreende uma estrutura de mecha porosa em pelo menos parte do interior do arcabouço térmico, em que a estrutura de mecha porosa é configurada para transportar o fluido de trabalho através de ação capilar de uma porção aquecida até pelo menos um receptáculo.

4. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda, um dissipador de calor acoplado termicamente ao sistema e configurado para dissipar, ainda mais, o calor do fluido de trabalho.

5. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a armação de chassi aloja uma pluralidade de equipamentos eletrônicos que compreendem componentes de geração de calor que variam em tamanho e formato e em que, ainda, o corpo de chassi está em estreita proximidade com os componentes de geração de calor.

6. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o corpo de chassi é configurado para otimizar seu peso substituindo-se pelo menos parte de sua estrutura metálica por um material substituto mais leve.

7. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o material substituto mais leve compreende o pelo menos um arcabouço térmico.

8. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o corpo de chassi é formato por pelo menos um dentre: processo de fabricação de impressão 3D e de aditivo.

9. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a resistência a propagação térmica é causada por pelo menos um dentre: gradiente térmico, não uniformidade térmica e formação de ponto de aquecimento dentro do corpo de chassi.

10. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de gerenciamento térmico compreende pelo menos um dentre: um conjunto vertical que compreende dois ou mais corpos de chassi montados verticalmente e um conjunto plano que compreende dois ou mais dentre os corpos de chassi montados de modo plano para formar a pelo menos uma armação de chassi.

11. SISTEMA DE GERENCIAMENTO TÉRMICO, caracterizado pelo fato de que compreende: pelo menos uma armação de chassi configurada para minimizar uma resistência a propagação térmica do sistema de gerenciamento térmico, sendo que a armação de chassi compreende: pelo menos um corpo de chassi configurado para otimizar seu peso substituindo-se pelo menos parte de sua estrutura metálica por material substituto mais leve; em que o material substituto mais leve compreende pelo menos um arcabouço térmico incorporado no corpo de chassi e configurado para fornecer uma trajetória de condução térmica para dissipação de calor do corpo de chassi; e um fluido de trabalho contido dentro do arcabouço térmico e usado para dissipar o calor do corpo de chassi; e um dissipador de calor acoplado termicamente ao sistema e configurado para dissipar, ainda mais, o calor do fluido de trabalho.

12. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o arcabouço térmico compreende pelo menos um dentre: uma pluralidade de canos de aquecimento; uma única estrutura de cano de aquecimento tridimensional hermética; uma estrutura de cano de aquecimento tridimensional construída a partir de canos de aquecimento adjacentes; uma pluralidade de hastes de cobre; uma pluralidade de hastes de diamante; e uma pluralidade de hastes de grafite.

13. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o arcabouço térmico compreende uma estrutura de mecha porosa em pelo menos parte do interior do arcabouço térmico, em que a estrutura de mecha porosa é configurada para transportar o fluido de trabalho através de ação capilar de uma porção aquecida até pelo menos um receptáculo.

14. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a armação de chassi aloja uma pluralidade de equipamentos eletrônicos que compreendem componentes de geração de calor que variam em tamanho e formato e em que, ainda, o corpo de chassi está em estreita proximidade com os componentes de geração de calor.

15. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o corpo de chassi é formato por pelo menos um dentre: processo de fabricação de impressão 3D e de aditivo.

16. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a resistência a propagação térmica é causada por pelo menos um dentre: gradiente térmico, não uniformidade térmica e formação de ponto de aquecimento dentro do corpo de chassi.

17. MÉTODO, caracterizado pelo fato de que compreende: minimizar uma resistência a propagação térmica em uma armação de chassi que compreende: fornecer um corpo de chassi; otimizar um peso do corpo de chassi removendo-se pelo menos parte de sua estrutura metálica; incorporar pelo menos um arcabouço térmico no corpo de chassi e, assim, fornecer uma trajetória de condução para dissipação de calor do corpo de chassi; transportar um fluido de trabalho dentro do arcabouço térmico para dissipação adicional de calor do corpo de chassi; e reduzir pelo menos um dentre: gradiente térmico, não uniformidade térmica e uma pluralidade de pontos de aquecimento dentro do corpo de chassi.

18. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que fornecer uma trajetória de condução compreende construir o pelo menos um arcabouço térmico com pelo menos um dentre: uma pluralidade de canos de aquecimento; uma única estrutura de cano de aquecimento tridimensional hermética; uma estrutura de cano de aquecimento tridimensional construída a partir de canos de aquecimento adjacentes; uma pluralidade de hastes de cobre; uma pluralidade de hastes de diamante; e uma pluralidade de hastes de grafite.

19. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que transportar fluido de trabalho dentro do arcabouço térmico compreende transportar o fluido de trabalho através de ação capilar de uma estrutura de mecha porosa empregada em pelo menos parte do interior do arcabouço térmico.

20. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda, alojar, dentro da armação de chassi, uma pluralidade de componentes de geração de calor que variam em tamanho e formato, em que o corpo de chassi está em estreita proximidade com os componentes de geração de calor.