ES2278376T3 - Procedimiento y disposicion para refrigerar un substrato, en particular un semiconductor. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para refrigerar un substrato del tipo de una disposición de semiconductores mediante un medio refrigerante, presentando dicho procedimiento las siguientes etapas: En un circuito frigorífico el medio frigorífico es comprimido en un compresor; el medio frigorífico comprimido es condensado en un condensador mediante la refrigeración de un ventilador; el medio frigorífico condensado es sometido a una etapa de expansión para reducir su presión y su temperatura, de manera que después de la expansión está presente como liquido en ebullición y vapor húmedo; el liquido en ebullición y el vapor húmedo son enviados a un evaporador que esta en conexión térmica con el substrato que hay que enfriar; después del evaporador el medio frigorífico es sometido de nuevo a la compresión; compresor y ventilador están accionados por un motor de accionamiento común; y la temperatura de evaporador (tv) es regulada por la modificación de la velocidad de este motor de accionamiento (42) común.

Description

Procedimiento y disposición para refrigerar un substrato, en particular un semiconductor.

El invento se refiere a un procedimiento y a una disposición para refrigerar un substrato. Como substrato que hay que refrigerar sirve preferentemente un semiconductor, por ejemplo un microprocesador, un microcomputador o similares.

Por el documento US 6 549 408 B2 se conoce una disposición de refrigeración para una CPU. En ésa está colocado un evaporador y en este evaporador se evapora un medio de refrigeración mediante el calor de la CPU y circula entonces en una tubería ascendente hacia arriba hacia un condensador que esta situado en un nivel geodésico superior. Allí el vapor se enfría y se licua y circula por la acción de la gravedad por un tubo de bajada volviendo al evaporador donde se evapora de nuevo.

La ventaja de una disposición de este tipo es que funciona sin ruido; pero tiene como desventaja que según el Segundo Principio de la Termodinámica es imposible aquí alcanzar una temperatura del medio de refrigeración por debajo de la temperatura ambiente porque el calor solo circula desde un medio de temperatura superior a un medio de temperatura inferior. Se obtiene entonces una temperatura del medio de refrigeración que, a causa del gradiente de temperatura necesario para la transmisión de calor, está como mínimo 7 a 10 K por encima de la temperatura ambiente, lo que limita la eliminación del calor de la CPU, especialmente en los días calurosos. Además el grado de rendimiento total de un sistema de este tipo no es bueno (K = Kelvin).

Por tanto la misión del invento es preparar un nuevo procedimiento y una nueva disposición para refrigerar un substrato.

Según el invento esta misión quedará resuelta por el procedimiento acorde con la reivindicación 1. Con él se consigue que el medio frigorífico esté presente en la superficie de transferencia de calor del evaporador esencialmente en forma de un líquido en ebullición que tiene vapor húmedo superpuesto, de manera que se obtiene una transferencia de calor extraordinaria que es todavía mejor que en una refrigeración del líquido, en donde mediante la aquí posible mayor diferencia de temperatura logarítmica media de la transferencia de calor también se pueden alcanzar temperaturas del substrato mas bajas. En el medio frigorífico, en el evaporador, no se presenta ninguna diferencia esencial de temperaturas, es decir, durante la transferencia de calor desde el substrato al medio frigorífico se produce solamente un pequeño recalentamiento del medio frigorífico porque se transmite casi exclusivamente el calor latente (por transformación de fase). Con esto queda garantizada una temperatura de evaporador esencialmente regular y más baja, Y con ello también una temperatura del substrato que se va a enfriar correspondientemente regular y más baja. Esto permite una mayor potencia de refrigeración en un espacio menor.

Otra solución a la misión planteada se obtiene por una disposición de refrigeración acorde con la reivindicación 5. Una disposición de refrigeración como esta puede ser construida muy compacta y eficiente siendo muy adecuada por tanto por ejemplo para servidores y aplicaciones análogas.

Otros detalles y desarrollos ventajosos del invento se desprenden del ejemplo constructivo descrito a continuación y representado en los dibujos, que de ninguna manera hay que entender como una limitación del invento, así como de las reivindicaciones secundarias. Se muestra:

Fig. 1 una representación de un ejemplo constructivo de una disposición frigorífica acorde con el invento, vista a lo largo de la línea I-I de la figura 2,

Fig. 2 otra representación de la disposición acorde con la figura 1,

Fig. 3 una representación esquemática del circuito de frío en la disposición acorde con las figuras 1 y 2,

Fig. 4 una representación del ciclo en el que se utiliza un medio frigorífico en el diagrama log-p/h, en donde es posible una corriente de calor considerablemente mejorada desde el substrato al medio enfriador,

Fig. 5 un diagrama en el que se representa el discurrir de la temperatura en el transcurso del ciclo, y

Fig. 6 un corte a través de una forma constructiva preferente de un evaporador de alta potencia, que puede ser utilizado independientemente de la situación.

La figura 1 muestra esquemáticamente un corte a través de una forma constructiva preferida de un dispositivo de refrigeración acorde con el invento. Un componente 12 que va a ser enfriado, por ejemplo un microprocesador, está reflejado de forma esquemática en las figuras 1 y 2 cuyo calor producido durante el funcionamiento debe ser retirado hacia una temperatura mas baja equilibrada para hacer posible un trabajo fiable y una alta vida con alta emisión de calor en forma constructiva compacta. El componente 12 esta situado habitualmente en un soporte 12a que sirve para la conexión eléctrica.

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Un ventilador 20 tiene una carcasa 22 de ventilador, un estator 26 sujeto a ella mediante numerosos radios 24 y un rotor 28 con las aspas del ventilador.

Un compresor 32 del medio frigorífico tiene una campana magnética 34 unida con el rotor 28 del ventilador 20, además una carcasa 36 de compresor y un rotor de compresor 38 mostrado esquemáticamente, así como un motor de accionamiento 42, preferiblemente un motor sin colector con velocidad variable.

La carcasa 36 de compresor está unida con la carcasa de ventilador 22 mediante un pasador de retención 40 para formar un módulo. Alternativamente el compresor 32 puede estar situado sobre la parte opuesta del ventilador 20, o sea por su lado de brida.

Un condensador 44 está unido en la cara del módulo opuesta al compresor 32 con el módulo formado por el ventilador 20 y el compresor 32 de manera que el aire movido por el ventilador 20 circula a través del condensador 44 y lo refrigera. Como alternativa el condensador 44 podría también estar situado sobre la parte del compresor 32.

El compresor 32 esta accionado por el rotor 28 del ventilador 20 a través de la campana imán 34 (acoplamiento magnético), (Como alternativa el rotor 28 de ventilador puede ser accionado a través de un acoplamiento magnético por el rotor de un motor de accionamiento para el compresor 32). La campana imán 34 está firmemente unida con el rotor 28. La carcasa 36 de compresor esta sujeta por el pasador de retención 49 de tal manera que no puede girar con la campana imán 34. El rotor 38 de compresor esta apoyado de forma giratoria en la carcasa 36. Igualmente la campana imán 34 esta soportada por la carcasa 36 de compresor.

En el caso de un giro de la campana imán 34 a través del motor 42 del ventilador 20 con ello gira también el rotor 38 de compresor y se produce una compresión del medio frigorífico 52.

Preferiblemente el dispositivo de refrigeración tiene un regulador de velocidad 54 (figura 2) para regular la velocidad de giro del ventilador 20 y/o del compresor 32. La velocidad de giro nominal para el regulador de velocidad se determina preferiblemente dependiendo de un valor de temperatura el cual se emite por medio de un sensor de temperatura 56, que por ejemplo puede estar colocado en el módulo 12.

A través de una tubería 66 el compresor 32 aspira desde un evaporador 60 vapor saturado de medio frigorífico 52d o vapor ligeramente recalentado. Con ello en el evaporador 60 se le extrae al medio frigorífico 52 la necesaria entalpía de evaporación q_{0}, véase la figura 4. Otra aportación de entalpía de evaporación q_{0} se produce por la entrega de calor del substrato 12 que va a ser enfriado, como por ejemplo un microprocesador que hay que enfriar. El evaporador 60 es preferiblemente algo más grande que el substrato 12.

Hay que hacer mención que en la figura 1 y la figura 2 los evaporadores 60, 60' están representados solo de forma fuertemente esquematizada, como pueda ser útil para la comprensión del invento.

La figura 1 muestra como en el evaporador 60 en la practica se presenta un recubrimiento, es decir, en su cuerpo y directamente sobre el módulo 12 que hay que refrigerar existe medio frigorífico 52a en ebullición por lo menos parcialmente, o sea un líquido (similar a agua en ebullición en una olla), y por encima hay vapor húmedo 52d, similar al vapor húmedo en y sobre el agua en ebullición. Por zonas puede existir ocasionalmente también vapor recalentado, por ejemplo, si localmente hay una producción muy fuerte de calor en el substrato 12.

Puesto que en la superficie de transferencia de calor del evaporador 60 el medio frigorífico está principalmente como líquido 52a en ebullición que en todas partes tiene la misma presión p_{v} y con ello (en la zona de vapor húmedo) también la misma temperatura t_{v}, es también muy bueno el coeficiente de transferencia de calor k y esencialmente es igual por toda la superficie de transferencia de calor. Puesto que también la temperatura t_{v} (y la presión p_{v} de evaporador) en el evaporador 60 puede ser elegida mas baja, por ejemplo -10ºC, se obtiene un muy buen enfriamiento del substrato 12. Entonces preferentemente t_{v} puede ser regulada a un valor predeterminado, por ejemplo sobre -10ºC, para por ejemplo en un microprocesador 12 hacer posible una frecuencia de ritmo alta de forma
continuada.

La refrigeración del substrato 12 puede ser mejorada todavía si se diseña el evaporador 60 de forma adecuada, por ejemplo, porque en su interior se prevén aletas de refrigeración o similares las cuales agrandan la superficie de transferencia de calor y/o las turbulencias, véase aquí a continuación la figura 6.

Puesto que el substrato 12 tiene habitualmente la máxima temperatura en su centro puede ser muy ventajoso conducir el medio frigorífico al centro del evaporador 60 y aspirarlo por el borde del evaporador 60 hacia el compresor 32. Estos detalles especiales están representados en la figura 6. Aquí hay que resaltar que existe una serie de módulos ventajosos para un evaporador de este tipo que pueden ser utilizados con ventaja en el marco del invento para conseguir un modulo constructivo especialmente compacto y conseguir una refrigeración altamente eficiente.

Durante la refrigeración existe un gradiente de temperatura entre el substrato 12, el evaporador 60 y el medio frigorífico 52a, 52d en el evaporador 60. Para conseguir una densidad de flujo de calor dQ/dt muy alta con unas superficies de transferencia de calor muy pequeñas, se aumenta el gradiente de temperatura de manera que la temperatura en el conducto de calor, o sea aquí la temperatura del medio frigorífico 52a, 52d en el evaporador 60, sea reducida tanto como sea posible porque la temperatura máxima del microprocesador esta limitada dependiendo del tipo, de manera que una elevación del gradiente de temperatura a través del aumento de temperatura del microprocesador no representa habitualmente ninguna alternativa practicable.

La utilización de un circuito de frío como el que esta representado esquemáticamente en las figuras 3 a 5 hace posible obtener en el evaporador 60 una temperatura t_{v} de por ejemplo -10ºC con una temperatura ambiente de +30ºC, o sea un gradiente de temperatura muy alto y como consecuencia un flujo de calor muy alto incluso con superficies de transferencia muy pequeñas. A continuación se aclarará esto nuevamente sobre la base de la igualdad (1).

El compresor 32 comprime el medio frigorífico 52d aspirado hasta una presión de condensación p_{k} obteniéndose con ello una temperatura t_{2} en su salida (figura 5) que claramente está por encima de la correspondiente temperatura ambiente t_{u} (figura 5). El medio frigorífico 52b (figura 5) comprimido, recalentado, es enviado por una tubería 68 hasta el condensador 44 y pasado a través de él para que allí pueda entregar calor y condensarse.

El ventilador 20 sopla o aspira aire (con una temperatura ambiente t_{u}) por el lado del aire del condensador 44 y este aire enfría al condensador 44 y con ello también al medio frigorífico 52b recalentado que está en él. Entonces se le extrae al medio frigorífico 52b tanto calor q (véase figura 4) que se condensa totalmente y ocasionalmente queda subenfriado, por ejemplo sobre 5 K. El condensado del medio frigorífico es denominado 52c. Se encuentra todavía algo por encima de la presión de condensación p_{k} alta (figura 4) o sea el punto 3 de las figuras 3 y 4 al que pertenece también una temperatura t_{k} correspondientemente alta de por ejemplo 45ºC. Este condensado 52c es enviado por una tubería 64 a una válvula de estrangulación 62 y en ella se expansiona isoentalpicamente, es decir con entalpía esencialmente constante, véase el punto 4 en la figura 4. A esta presión de evaporación p_{v} le corresponde una temperatura de evaporador t_{v} de por ejemplo -10ºC correspondientemente menor, como la que se emplea para la refrigeración del substrato 12.

En lugar de un único evaporador 60 se pueden utilizar por ejemplo dos evaporadores 60, 60', que preferiblemente están conectados en paralelo pero también pueden estar conectados en serie, véase figura 3.

La figura 3 muestra un circuito de frío en representación esquemática de diagrama. Como se utiliza un medio frigorífico 52, por ejemplo 1,1,1,2-tetrafluoretano, denominación comercial H-FKW134a o R234a, o por ejemplo el medio frigorífico R600a, en el circuito según la figura 3 está en dos fases, realmente en forma gaseosa y en forma líquida. En los evaporadores 60, 60' el medio frigorífico 52 está como vapor húmedo (compuesto de líquido 52a en ebullición y vapor saturado, ocasionalmente también con vapor ligeramente recalentado). En el condensador 44 el medio frigorífico está como vapor recalentado y como vapor húmedo así como líquido subenfriado. En las figuras 3 y 4 estos son las secciones entre los puntos que están identificados con las cifras 2 y 3 (condensador 44) o 4 y 1 (condensador 60). Así se obtiene entre los puntos 2 y 3 una sección con presión p_{k} esencialmente constante. Con esto se puede realizar una transferencia de calor considerablemente mejorada desde el condensador 60, 60' al medio frigorífico 52a local, o sea un \alpha mejorado, y con ello una densidad de flujo de calor considerablemente mas alta, especialmente desde la fuente de calor 12 hasta el o los evaporadores 60, 60' sin que cambie la temperatura de la fuente de calor 12.

En la válvula estranguladora 62 se produce un cambio isoentalpico de estado, véase en el diagrama de la figura 4 la línea vertical entre los puntos 3 y 4, es decir no se desprende ni se absorbe energía, sino que solo presión y temperatura del medio frigorífico se reducen a la del nivel mas bajo en el evaporador 60. El estado de grupo del condensado de medio frigorífico 52c subenfriado se modifica entonces igualmente desde el líquido subenfriado (punto 3 en las figuras 3 y 4) a vapor húmedo (Punto 4 en las figuras 3 y 4). Se trata entonces, como está representado en la figura 4, de un ciclo de giro levógiro. La letra h identifica allí a la entalpía, medida en kJ/ Kg. de medio frigorífico y la letra p identifica a la presión en bar.

En la figura 4 el 70 identifica la línea de ebullición que separa una zona 72 de líquido puro de una zona 74 de vapor húmedo. Con el 76 esta identificada la línea de rocío que separa la zona 74 de la zona 78 de vapor caliente. Con el 80 esta identificado el llamado punto critico. En la zona por encima del punto 80 no es posible ya ninguna separación clara entre el líquido y el vapor caliente. Como consecuencia la temperatura critica asociada limita la zona de aplicación del medio frigorífico elegido.

Las temperaturas de evaporador 60, 60' pueden variar entonces y también ser reducidas por debajo de la temperatura ambiente. Con esto se puede realizar otro aumento considerable de la densidad de flujo de calor desde la fuente de calor 12 a un evaporador 60, 60' sin que para ello haya que elevar la temperatura de la fuente de calor 12. Al bajar la temperatura de evaporador t_{v} por debajo de la temperatura del punto de rocío del aire circundante es aconsejable un aislamiento frigorífico 86 de los módulos fríos, o sea como está representado, la válvula de estrangulación 62, el evaporador 60 y la tubería de unión 66 hasta el compresor 32. Con esto se evita que se condense agua desde el aire ambiente en los módulos fríos lo que pondría en dificultades a los componentes eléctricos.

El medio frigorífico 52a, 52d está en el evaporador 60 a temperatura casi constante, es decir, en la transferencia de calor no se produce ningún gradiente esencial de temperatura del propio medio frigorífico 52, visto desde un ligero recalentamiento en el evaporador 60 (por ejemplo de 5 K), porque aquí se transfiere casi exclusivamente el calor latente (transformación de fase). Con esto se garantiza una temperatura del evaporador 60, 60' continuamente regular y baja, como la que se exige para un enfriamiento fiable de substratos semiconductores. A ello contribuye también que según la representación en las figuras 1 y 6 las superficies de transferencia de calor del evaporador 60 o 100 están cubiertas principalmente con líquido 52a en ebullición.

La figura 5 muestra el discurrir de la temperatura por el camino L en el circuito de frío. El camino L está registrado simbólicamente en la figura 3 y así pensar que un observador camina junto con el medio frigorífico y al final llega de nuevo a su punto de partida. Se trata aquí de un tipo de representación que es usual para sistemas de este tipo, Los puntos 1, 2, 3 y 4 son los mismos como los que se han expuestos en las figuras anteriores.

En el punto 4, o sea la entrada al evaporador 60, 60', el medio frigorífico tiene su temperatura t_{v} mas baja (temperatura de evaporador), por ejemplo -10ºC, es decir existe principalmente como vapor húmedo lo que para la transferencia de calor es muy favorable. Bajo vapor húmedo se entiende una mezcla de líquido en ebullición y vapor saturado. Una imagen visible para el vapor saturado es un recipiente en ebullición con agua en ebullición a presión normal del aire. El agua en ebullición mantiene su temperatura de 100ºC hasta que se evapora totalmente. Véase aquí la figura 5. De igual manera el medio frigorífico mantiene esa temperatura t_{v} de por ejemplo -10ºC en una zona 78 hasta alcanzar un punto 80, realmente su línea de rocío, y en la zona 82 entre el punto 80 y el punto 1 puede tener lugar un ligero recalentamiento del vapor saturado, por ejemplo alrededor de 5 K, con lo que la temperatura del medio frigorífico puede subir algo en esta zona 82. Puesto que aquí el medio frigorífico existe esencialmente como vapor húmedo, el coeficiente k de transferencia de calor aumenta, véase la siguiente igualdad (1) y las aclaraciones al respecto.

Entre los puntos 1 y 2 el compresor 32 está activo lo que en el punto 2 produce un correspondiente aumento de la presión y de la temperatura, alcanzando esta última su máxima t_{2} a la salida del compresor 32. Allí el medio refrigerante existe como vapor comprimido sobrecalentado.

Entre los puntos 2 y 3 el medio frigorífico circula a través del condensador 44. Allí es enfriado de manera que en primer lugar su temperatura desciende entre el punto 2 y un punto 84, exactamente el alcance de la línea de rocío, en una zona 86 hasta la temperatura de condensación t_{k}. Por la continua cesión de calor a consecuencia del enfriamiento en el condensador 44, entre los puntos 84 y 90 se produce una condensación total del medio frigorífico hasta alcanzar la línea de ebullición 90, en donde del medio frigorífico se elimina una correspondiente cantidad de calor q (figura 4). En una zona 92, entre los puntos 90 y 3, puede producirse un ligero subenfriamiento del medio frigorífico, por ejemplo sobre 5 K.

Hay que hacer mención de que la temperatura de condensación t_{k} está claramente, por ejemplo 10 K, por encima de la temperatura ambiente t_{u} lo que mejora correspondientemente la transferencia de calor desde el condensador 44 al aire ambiente, vease la figura 5.

Entre los puntos 3 y 4 el medio frigorífico 52 condensado circula por la válvula de estrangulación 62, y en su salida su temperatura ha descendido hasta la temperatura de evaporador t_{k}, que por ejemplo puede ser - 10ºC y que en los evaporadores 60, 60' permanece prácticamente constante por los motivos ya mencionados en la zona 78 aunque en cualquier caso en la zona 82, por un recalentamiento, puede ocurrir un pequeño aumento de temperatura de sobre 5 K. Esto hace posible una excelente transferencia de calor desde el procesador 12 hasta el medio frigorífico 52, puesto que en el procesador 112 existe un gradiente de temperatura mayor y esencialmente constante, de manera que la refrigeración es por todas partes igual de buena. Si el procesador 12, por ejemplo, tiene una temperatura de +60ºC y el medio frigorífico tiene una temperatura de evaporador t_{v} de - 10ºC, se produce un gradiente de temperatura de 70 K esencialmente constante, lo que hace posible una excelente refrigeración también para un volumen pequeño.

Es muy ventajoso que exista una temperatura baja prácticamente sólo entre los puntos 4 y 1 del circuito de frío, es decir un aislamiento térmico 86 solo es necesario en esta zona, pero no en el condensador 44 o en el compresor 32. Esto es una consecuencia de que el condensador 44 trabaja a una temperatura de condensación t_{k} que por ejemplo es de +45ºC o mayor. Incluso en el caso de un ligero subenfriamiento de sobre 5 k en la zona 92 allí puede seguir manteniéndose una temperatura de +40ºC es decir por encima de la temperatura del punto de rocío del aire ambiente de manera que allí no puede producirse una condensación exterior de humedad proveniente del aire. Precisamente en disposiciones para la refrigeración de módulos electrónicos esto se presenta como muy importante porque la humedad condensada del exterior puede llevar a un funcionamiento defectuoso.

Expresado matemáticamente la corriente térmica que se transmite puede calcularse como

....(1)dQ/dt = k*A* \Delta \theta m

Aquí significan:

dQ/dt = corriente térmica en W

k = coeficiente de transferencia térmica en W/m^{2}K;

A = superficie de transferencia térmica en m^{2};

\Delta\thetam = diferencia de temperatura logarítmica media de la transmisión de calor.

En el invento, la superficie de transmisión de calor A tiene un valor fijo. Un aumento claro de la corriente térmica dQ/dt se obtiene con el invento por los siguientes factores:

a) el coeficiente de transmisión de calor k se eleva claramente porque el calor se transmite esencialmente en la zona de vapor húmedo,

b) diferencia de temperatura logarítmica media \Delta\thetam se eleva claramente porque la temperatura de evaporador puede ser reducida muy por debajo de la temperatura ambiente, incluso con temperatura constante del substrato 12 o 106 (figura 6).

La figura 6 muestra un corte a través de un evaporador 110 preferente. Este puede, condicionado por su forma de construcción, ser utilizado esencialmente de forma independiente a su posición. Trabaja según el principio de una placa de dispersión para conseguir una densidad de flujo de calor alta.

El evaporador 100 tiene una parte superior 102 que habitualmente esta fabricada de una pieza y como pieza inyectada de un plástico adecuado, y tiene una placa de frío 104 de un metal adecuado, la mayor parte de las veces de cobre, que esta construida para estar en contacto con un substrato 106 generador de calor que esta situada en un soporte 108 (para la conexión eléctrica del substrato 106). La placa de frío 104 puede estar fabricada por ejemplo como una pieza extruída de cobre, aluminio, plata o similar. Esto hace posible fabricar la placa de frío 104 de forma sencilla y económica mientras que la pieza superior puede tener una construcción complicada y a pesar de ello es fácil de fabricar.

La placa de frío 104 tiene una superficie 110 transmisora del calor la cual tiene una alta calidad de acabado superficial y se apoya con toda su superficie contra el substrato, en donde habitualmente se introduce algo de pasta 111 conductora del calor entre la superficie 110 y el substrato 106. La circulación del calor dq/dt desde el substrato 106 está representada simbólicamente por la flecha para hacer mas claro el flujo de calor.

La parte superior 102 tiene en su centro un conducto de acometida 112 en cuyo extremo inferior se encuentran preferentemente toberas 114. A través de este conducto de acometida 112 se envía el medio frigorífico 52 expandido en forma de vapor húmedo y es pulverizado sobre la placa de frío 104 por medio de las toberas 114. Con esto se produce un aumento de la turbulencia y una mejora adicional de la transferencia de calor desde la placa de frío 104 al medio frigorífico 52. Las toberas 114 pueden ser, por ejemplo, toberas de taladro o toberas de ranura.

La placa de frío 104 tiene una hendidura 114 en forma de cazoleta, por ejemplo con la forma transversal de un casquete esférico, un paraboloide de rotación, una cáscara o similares. Desde esta hendidura 114 se extienden hacia arriba cuerpos de refrigeración 116 en forma de agujas hasta un plano 118 que discurre paralelo a la superficie 110, como muestra claramente la figura 6. Según se necesite los cuerpos de refrigeración 116 pueden construirse como aletas o similares, como es conocido para el experto, y las aletas pueden variar su altura.

Entre los cuerpos de refrigeración 116 en forma de aguja se encuentran canales de refrigeración 120 y en estos se inyecta el vapor húmedo 52 en forma de una corriente turbulenta de manera que se obtiene una buena transferencia de calor. Mediante la corriente turbulenta se puede conseguir una muy buena densidad de flujo térmico hasta en el espacio mas estrecho, que aumenta todavía mas debido a la baja temperatura del medio frigorífico. Mediante las toberas 114 es posible una restricción del chorro (efecto Coanda) que igualmente colabora en mejorar la transmisión de
calor.

Como se ve, en el evaporador 100 acorde con la figura 6 no afecta si este está exactamente horizontal o tiene una posición ligeramente inclinada porque con ello no cambia nada esencial en la transferencia de calor desde la placa de frío 104 al vapor húmedo 52. Esto representa una gran ventaja de la disposición acorde con la figura 6 porque en la practica no se puede esperar que, por ejemplo, un calculador cuya parte principal es el microprocesador 106, sea colocado totalmente horizontal.

Sobre la cara inferior 122 de la parte superior 102, aproximadamente concéntrico con el conducto de acometida 112, está situado un diafragma124 de forma anular que se extiende hacia abajo y preferiblemente se apoya contra el extremo superior del cuerpo de refrigeración 116 que hay allí y apenas entra en los canales 120. Con esto el vapor húmedo 52 es obligado a circular radialmente desde el centro en todas las direcciones hacia el exterior a través de los canales 120, lo que mejora adicionalmente la transmisión de calor. Sin el diafragma 124 el vapor húmedo 52 fluiría directamente desde la entrada 112 hasta un canal de salida 126 y no a través de los cuerpos de refrigeración
116.

El canal de salida 126 esta previsto en la parte superior 102. Su eje central 128 discurre aproximadamente de manera que discurre a través del borde exterior 130 de la (preferiblemente circular) placa de frío 104.

La parte superior 102 tiene una prolongación 132 que se extiende hacia abajo aproximadamente de forma tubular y aproximadamente concéntrica a la entrada 112 y en esta prolongación 132 esta sujeta la placa de frío 102 sellada, por ejemplo, por medio de una junta circundante 134 o por medio de adhesivo, soldadura, estañado o similares.

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Cuando el vapor húmedo 52 circula por los canales 120 entre los cuerpos de refrigeración 116 se evapora de manera que por la salida 126 sale vapor saturado 52 o vapor recalentado. Habitualmente se conecta después un secador 138 para separar pequeñas partículas de líquido arrastradas porque podrían dañar al compresor 32.

El evaporador 100 tiene también una placa de montaje 140 circundante integrada con la que puede ser fijado a un substrato 106. Para la fijación se pueden emplear los tipos de fijación conocidos.

Lógicamente en el marco del presente invento son posibles múltiples derivaciones y modificaciones.

Claims (30)

1. Procedimiento para refrigerar un substrato del tipo de una disposición de semiconductores mediante un medio refrigerante, presentando dicho procedimiento las siguientes etapas:

En un circuito frigorífico el medio frigorífico es comprimido en un compresor;

el medio frigorífico comprimido es condensado en un condensador mediante la refrigeración de un ventilador;

el medio frigorífico condensado es sometido a una etapa de expansión para reducir su presión y su temperatura, de manera que después de la expansión está presente como líquido en ebullición y vapor húmedo;

el líquido en ebullición y el vapor húmedo son enviados a un evaporador que esta en conexión térmica con el substrato que hay que enfriar;

después del evaporador el medio frigorífico es sometido de nuevo a la compresión;

compresor y ventilador están accionados por un motor de accionamiento común; y la temperatura de evaporador (t_{v}) es regulada por la modificación de la velocidad de este motor de accionamiento (42) común.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el medio frigorífico condensado se expande isoentalpicamente en la etapa de expansión.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, en el que el medio frigorífico durante su compresión se calienta hasta una temperatura (t_{2}) que es mayor que la temperatura de un medio de refrigeración que sirve para su refrigeración.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que como medio de refrigeración se utiliza el aire ambiente, y el medio frigorífico se calienta durante su compresión hasta una temperatura (t_{2}) que es mayor que la temperatura (t_{u}) de este aire ambiente.

5. Disposición de refrigeración para refrigerar un substrato del tipo de una disposición de semiconductores, estando construida esta disposición de refrigeración como una maquina frigorífica de vapor frío, en cuyo circuito de frío están situados un compresor (32) del medio frigorífico, un condensador (44) para la cesión del calor hacia el aire ambiente, y un evaporador (60), en donde

una válvula de estrangulación (62) para la expansión del medio frigorífico esta conectada delante del evaporador (60'),

el evaporador (60) está construido como un colector de calor para recoger el calor que sale del substrato (20),

ambos grupos, o sea el compresor (32) del medio frigorífico y el ventilador (20) asociado con el evaporador (44) pueden ser accionados con el mismo motor (42) de accionamiento,

y está previsto un regulador (54) el cual regula la temperatura de evaporador (t_{v}) por medio de la modificación de la velocidad de este motor (42) de accionamiento.

6. Disposición de refrigeración según la reivindicación 5, en la que el motor de accionamiento (42) acciona a uno de ambos grupos (20, 32) directamente y al otro grupo por medio de un acoplamiento magnético.

7. Disposición de refrigeración según la reivindicación 5 o 6, en la que el condensador (44) está unido con el ventilador (20) asociado con él y con el motor de accionamiento (42) para formar una unidad modular.

8. Disposición de refrigeración según una de las reivindicaciones 5 a 7, en la que el ciclo de la maquina frigorífica - vapor de frío es un ciclo levógiro.

9. Disposición de refrigeración según una de las reivindicaciones 5 a 8, en la que el medio frigorífico en el circuito existe en dos fases, exactamente en forma de gas y de líquido.

10. Disposición de refrigeración según una de las reivindicaciones 5 a 9, en la que en servicio el medio frigorífico en el evaporador (60, 60') existe esencialmente en forma de un líquido (52a) en ebullición y de vapor (52d) de medio frigorífico.

11. Disposición de refrigeración según una de las reivindicaciones 5 a 10, en la que la carcasa de ventilador (22) y la carcasa de compresor (36) están unidas en una unidad constructiva (40) por lo menos parcialmente.

12. Disposición de refrigeración según la reivindicación 11, en la que la unidad constructiva está construida por lo menos parcialmente como una pieza de inyección (40).

13. Disposición de refrigeración según la reivindicación 12, en la que la pieza de inyección (40) está fabricada por lo menos parcialmente de un plástico adecuado.

14. Disposición de refrigeración según una de las reivindicaciones 5 - 13, en la que el evaporador (100) esta construido según el principio de una placa deflectora.

15. Disposición de refrigeración según la reivindicación 14, en la que en el lugar de entrada del medio de refrigeración (52) en el evaporador (100) está prevista una disposición de toberas (114).

16. Disposición de refrigeración según la reivindicación 15, en la que la disposición de toberas (114) presenta una tobera de taladro.

17. Disposición de refrigeración según la reivindicación 15, en la que la disposición de toberas (114) presenta una tobera de ranura.

18. Disposición de refrigeración según una de las reivindicaciones 15 a 17, en la que la disposición de tobera está construida para generar una constricción de chorro.

19. Disposición de refrigeración según una de las reivindicaciones 5 - 18, en la que la superficie transmisora de calor (114) en el evaporador (100) está construida cóncava por su cara opuesta al substrato (106) que emite el calor.

20. Disposición de refrigeración según la reivindicación 19, en la que la superficie cóncava esta construida aproximadamente del tipo de un casquete esférico.

21. Disposición de refrigeración según la reivindicación 19, en la que la superficie cóncava (114) esta construida aproximadamente del tipo de un paraboloide de rotación.

22. Disposición de refrigeración según una de las reivindicaciones 19 a 21, en la que sobre la superficie cóncava (114) se han colocado elementos (116) intercambiadores de calor con separaciones (120) entre ellos.

23. Disposición de refrigeración según la reivindicación 22, en la que los elementos intercambiadores de calor están construidos por lo menos parcialmente del tipo de agujas (116).

24. Disposición de refrigeración según una de las reivindicaciones 22 o 23, en la que en la zona alrededor del lugar de entrada (114) del medio frigorífico (52) en el evaporador (100) está prevista por lo menos una barrera (124), la cual actúa como un obstáculo contra una circulación directa del medio frigorífico (52) desde la entrada (112) hasta la salida (126).

25. Disposición de refrigeración según una de las reivindicaciones 19 a 24, en la que la parte (104) del evaporador (100) en la que está prevista la superficie cóncava (114), esta construida como una pieza extruida de un material conductor del calor del tipo de cobre, aluminio o plata.

26. Disposición de refrigeración según una de las reivindicaciones 5 a 25, en la que el evaporador (100) presenta un grupo constructivo (102) en el que están previstos la entrada (112) del medio frigorífico y la salida (126) del medio frigorífico.

27. Disposición de refrigeración según la reivindicación 26, en la que el grupo constructivo (102) esta construido como una pieza moldeada de plástico.

28. Disposición de refrigeración según una de las reivindicaciones 5 a 27, en la que el evaporador (100) se compone de cómo mínimo dos partes (102, 104) las cuales están unidas una con otra de forma estanca a los líquidos.

29. Disposición de refrigeración según la reivindicación 28, en la que esta integrada una disposición (140) para sujetar el evaporador (100) a por lo menos una de esas partes (102, 104).

30. Disposición de refrigeración según una de las reivindicaciones 28 o 29, en la que las partes (102, 104) están selladas una respecto de la otra por medio de una junta radial (134).