ES2297059T3 - Procedimiento y aparato para absorber la energia termica. - Google Patents
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Abstract
Un aparato para absorber energía térmica, comprendiendo el aparato (100; 200): un componente electrónico (102; 204); una estructura de soporte (104; 206) para el componente electrónico (102; 204), teniendo la estructura de soporte (104; 206) un primer conjunto de superficies (108) que define un volumen interior (110, 210) que contiene una pluralidad de superficies secundarias (112); y un material de absorción de energía térmica (106; 208) integrado en el volumen interior (110; 210), en contacto con al menos una parte de las superficies secundarias (112) para formar una estructura compuesta, estando el material de absorción de energía térmica (106; 208) en comunicación térmica operativa con el componente electrónico (102; 204) de manera que al menos una parte de la energía térmica generada por el componente electrónico (102; 204) fluye, por medio de la estructura de soporte (104; 206), al material de absorción de energía térmica (106; 208), caracterizado porque la estructura de soporte (104; 206) tiene un volumen interior en la forma de al menos una de una geometría de célula abierta conectada continuamente y una pluralidad de volúmenes discretos.
Description
Procedimiento y aparato para absorber la energía
térmica.
La presente invención se refiere generalmente a
la absorción de energía térmica para enfriar una carga térmica,
como la energía térmica generada por componentes electrónicos.
Los dispositivos electrónicos, como las unidades
de emisión/recepción (E/R) de sensores RF, pueden ser relativamente
ineficaces (15-25%) para convertir energía eléctrica
en potencia radiada y, como consecuencia, generan calor residual.
Si la masa térmica resulta insuficiente para absorber este calor
residual, las temperaturas de la superficie de montaje y de las
uniones de los componentes electrónicos pueden aumentar con la
consiguiente avería de los componentes. Además, el calor residual
en general puede contribuir a la degradación de materiales que
supone una reducción del tiempo de vida útil y la avería del
dispositivo. Por otra parte, las soluciones de tratamiento térmico
pueden limitar la miniaturización de dispositivos.
El documento
JP-01-245.851 se refiere a un
paquete semiconductor. Se coloca una aleta en proyección a una
superficie de un sustrato en el que se monta un chip semiconductor,
y se sella una mezcla de cera y aislante eléctrico en un espacio
hermético que se modela mediante una tapa cobresoldada y la
superficie. La aleta forma una proyección en la superficie de
montaje del chip semiconductor de una placa cerámica, y el aislante
eléctrico es AIN o SiC pulverizados. Cuando el chip semiconductor
genera calor, el calor transmitido al sustrato se transmite tanto a
la aleta como a la mezcla de cera y aislante eléctrico.
El documento
US-A-4.479.383 se refiere a un
aparato de sondeo para igualación térmica. Se describe un sistema
para su uso en empaquetamiento de sistemas electrónicos para su uso
en sondeo de pozos de alta temperatura. Se proporciona un elemento
de cuerpo hueco hermético fluido o sonda que tiene elementos de
soporte y montaje únicos huecos extendidos longitudinalmente para
componentes electrónicos. El interior hueco de los elementos de
soporte y montaje contiene un material absorbente de calor de
aleación eutéctica de bismuto para distribuir uniformemente el
calor desarrollado en los componentes electrónicos en toda la
herramienta de arrastre.
El documento
WO-01/69.677-A se refiere a un
aparato y procedimiento para tratamiento térmico pasivo de cambio
de fase. Un disipador comprende un cuerpo de disipador que incluye
una serie de aletas y una cavidad para contener un material de
cambio de fase y una serie de partículas para mejorar el mezclado
del material de cambio de fase durante el funcionamiento del
disipador. Durante el funcionamiento,, el cuerpo del disipador
conduce la energía térmica al material de cambio de fase. La energía
es absorbida durante el cambio de fase del material de cambio de
fase. Después de absorber la energía y cambiar a un estado líquido,
el material de cambio de fase sigue disipando energía por
convección. Las corrientes de convección en la cavidad están
dirigidas por la forma de las superficies de la cavidad y son
mejoradas por las partículas entremezcladas con el material de
cambio de fase.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar un aparato mejorado para absorber energía térmica.
Con el fin de conseguir el objeto mencionado
anteriormente, se proporciona un aparato para absorber energía
térmica según la reivindicación 1. Además, se proporciona un
procedimiento de control de una temperatura de un componente
electrónico según la reivindicación 16.
Las formas de realización ventajosas se definen
por las reivindicaciones dependientes.
En una forma de realización ilustrativa, un
aparato para absorber energía térmica tiene un componente
electrónico, una estructura de soporte para el componente
electrónico que tiene un primer conjunto de superficies que define
un volumen interior que contiene una pluralidad de superficies
secundarias, y un material de absorción de energía térmica
integrado en el volumen interior, en contacto con al menos una parte
de las superficies secundarias para formar una estructura
compuesta. El material de absorción de energía térmica está en
comunicación térmica operativa con el componente electrónico de
manera que al menos una parte de la energía térmica generada por el
componente electrónico fluye, por medio de la estructura de soporte,
al material de absorción de energía térmica.
Se dan a conocer procedimientos ilustrativos
para controlar una temperatura de un componente electrónico, en los
que un componente electrónico está montado en una estructura de
soporte en comunicación térmica con un material de absorción de
energía térmica integrado en un volumen interior de la estructura de
soporte, al menos una parte de una carga térmica del componente
electrónico se transporta al material de absorción de energía
térmica, y la parte de la carga térmica es absorbida con el material
de absorción de energía térmica mientras experimenta una reacción
endotérmica durante un cambio de fase del material, de manera que la
temperatura del componente electrónico se mantiene por debajo de la
temperatura de montaje superficial.
En una forma de realización ilustrativa, el
material de absorción de energía térmica puede seleccionarse para
que tenga una temperatura de cambio de fase menor que la temperatura
de montaje superficial.
Los objetos y ventajas de la invención se harán
evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de formas
de realización preferidas en relación con los dibujos adjuntos, en
los que números iguales designan elementos iguales y en los
que:
la fig. 1 es una forma de realización
ilustrativa de un aparato para absorber energía térmica;
la fig. 2 es otra forma de realización
ilustrativa de un aparato para absorber energía térmica;
la fig. 3 es una perspectiva en sección
transversal de una forma de realización ilustrativa de una
estructura de soporte con un material de absorción de energía
térmica integrado.
La presente invención se dirige a un aparato
para absorber energía térmica. En la fig. 1 se ilustra un aparato
ilustrativo para absorber energía térmica como un aparato 100. El
aparato 100 de la fig. 1 incluye un componente electrónico 102, una
estructura de soporte 104 para el componente electrónico 102 y un
material de absorción de energía térmica 106. La estructura de
soporte 104 tiene un primer conjunto de superficies 108 que define
un volumen interior 110 que contiene una pluralidad de superficies
secundarias 112. El material de absorción de energía térmica 106
está integrado en el volumen interior 110 de la estructura de
soporte 104 en contacto con al menos una parte de las superficies
secundarias 112 para formar una estructura compuesta. El material
de absorción de energía térmica 106 está en comunicación térmica
operativa con el componente electrónico 102 de manera que al menos
una parte de la energía térmica generada por el componente
electrónico fluye, por medio de la estructura de soporte 104, al
material de absorción de energía térmica 106.
La fig. 2 muestra también una forma de
realización ilustrativa de un aparato para absorber energía térmica.
En el aparato 200 de la fig. 2, una placa de circuitos 202 con
componentes electrónicos 204 está en contacto directo con una
estructura de soporte 206 que tiene un material de absorción de
energía térmica 208 integrado en un volumen interior 210.
En formas de realización ilustrativas, el
componente electrónico es uno o más de un circuito integrado
monolítico de ondas milimétricas (MMIC), un amplificador de
potencia de radiofrecuencia (RF), un chip electrónico, una placa de
circuitos y una batería térmica. Además, el componente electrónico
puede ser un elemento en un montaje electrónico. Por ejemplo, el
componente electrónico puede ser un elemento en una unidad de medida
inercial, una unidad de radiación, una unidad de emisión/recepción
o una fuente de referencia térmica.
El componente electrónico está soportado por una
estructura de soporte. En una forma de realización ilustrativa, el
soporte estructural del aparato de absorción de energía térmica está
formado por material que puede ser un conductor térmico entre el
sustrato con el material de absorción de energía térmica integrado y
el componente electrónico soportado de ese modo. Por ejemplo, el
componente electrónico se fija al soporte estructural, se monta en
superficie en la estructura de soporte, se monta a presión en la
estructura de soporte o se coloca por otros medios en contacto
estrecho con las estructuras de soporte de manera que el componente
electrónico y la estructura de soporte están en contacto térmico.
Así, el aparato de absorción de energía térmica recibe al menos una
parte del calor residual generada por el componente electrónico
cuando el dispositivo electrónico está en funcionamiento.
En una forma de realización ilustrativa, la
estructura de soporte puede estar formada a partir de un material
basado en metal o basado en cerámica. Por ejemplo, la estructura de
soporte puede estar formada a partir de materiales basados en
metal, como aluminio, espuma de aluminio o cobre, o estar formada a
partir de material basado en cerámica, como carburo de
silicio-aluminio.
En una forma de realización ilustrativa, el
volumen interior de la estructura de soporte puede estar conectado
continuamente. Sin embargo, la estructura de soporte puede tener
también un volumen interior compuesto por una pluralidad de
volúmenes de interior discretos, como una configuración en panal, o
puede ser una estructura permeable de tipo esponja.
Por ejemplo, una estructura de soporte adecuada
es una espuma metálica con un volumen interior en la forma de una
geometría de célula abierta de forma dodecaédrica conectada
continuamente. Algunos ejemplos de espumas metálicas de geometría
de célula abierta de forma dodecaédrica modelada continuamente
incluyen materiales DUOCEL® disponibles en ERG Materials, de
Oakland, California. La espuma metálica de aluminio Duocelan con
una geometría de célula abierta de forma dodecaédrica conectada
continuamente tiene un volumen interior, densidad y tamaño de
célula que son variables independientemente, con intervalos de
densidades disponibles del 3% al 50% con respecto al metal de base
sólido y densidad de célula de 2, 4, 8 y 16 poros por centímetro
lineal. Además, la espuma de aluminio Duocelan puede ser cortada,
torneada, fresada, taladrada, laminada y acabada en tolerancias
normales al igual que el material de aluminio de base. Los
procedimientos de fabricación adicionales incluyen cobresoldadura
al vacío o por inmersión, unión epoxídica o por adhesión,
tratamiento por calor, anodización, y recubrimiento,
electrodeposición y acabado (por ejemplo, recubrimiento alodino o
electrodeposición metálica) y así sucesivamente. Cuando se someten
metales a cobresoldadura, la espuma de aluminio Duocelan puede
formar un enlace integral metal-metal. Además de
aluminio, puede fabricarse una geometría Duocelan en otro material
adecuado de estructura de soporte, como carbón vítreo y materiales
basados en cerámica.
La fig. 3 muestra la estructura de soporte
presentada en una perspectiva en sección transversal con un material
de absorción de energía térmica integrado. En la forma de
realización ilustrativa representada en la fig. 3, la estructura de
soporte 300 tiene un primer conjunto de superficies 302, que define
un volumen interior 304. El volumen interior 304 contiene una
pluralidad de superficies secundarias 306 y el material de absorción
de energía térmica 308 está integrado en el volumen interior
304.
El material de absorción de energía térmica
puede estar integrado en la estructura de soporte del aparato de
absorción de energía térmica por cualquier medio adecuado. Por
ejemplo, el material de absorción de energía térmica puede estar
impregnado en la estructura de soporte a presión o al vacío (por
ejemplo, inyectado por un gas portador, arrastrado mediante vacío,
y así sucesivamente). Alternativamente, es posible variar la
temperatura del material de absorción de energía térmica para que
experimente un cambio de fase a un estado maleable (por ejemplo,
cambiado a estado líquido o viscoso) y después verterse, inyectarse
o encapsularse en el volumen interior.
En una forma de realización ilustrativa de un
aparato para absorber energía térmica, una estructura de soporte de
la espuma de aluminio puede tener un material de absorción de
energía térmica integrado en el volumen interior. Esta combinación
proporciona soporte estructural para el componente electrónico (por
ejemplo, Amplificador de Potencia de Microondas (APM), elemento de
emisión/recepción de RF, y así sucesivamente), mientras se
complementa la capacidad térmica del soporte estructural con un
material de absorción de energía térmica. El calor residual del
componente electrónico puede transmitirse por medio de la estructura
de espuma de aluminio al material de absorción de energía térmica,
que absorbe la energía térmica mientras su temperatura aumenta a la
temperatura de cambio de fase (por ejemplo, aumenta a la
temperatura de cambio de fase sólido-líquido). La
energía térmica sigue siendo absorbida por el material de absorción
de energía térmica mientras tiene lugar el cambio de fase con la
correspondiente reacción endotérmica. La temperatura de cambio de
fase y la resistencia térmica entre el componente electrónico y el
material de ab-
sorción de energía térmica estabilizan la temperatura del componente electrónico, al menos durante el cambio de fase.
sorción de energía térmica estabilizan la temperatura del componente electrónico, al menos durante el cambio de fase.
El material de absorción de energía térmica
puede aportar masa térmica adicional para una absorción rápida del
calor residual. Por ejemplo, el calor residual generado a partir de
la carga eléctrica puede ser absorbido por el material de cambio de
fase tanto para aumentar la temperatura del material de cambio de
fase como para provocar el cambio de fase y, de ese modo, limitar
la temperatura transitoria causada por el funcionamiento de la
carga eléctrica. La masa térmica aumentada en la forma de un
material de cambio de fase incorporado en la estructura de soporte
puede reducir al mínimo el impacto en la carga eléctrica, el
dispositivo pasivo, el conductor eléctrico y otros dispositivos
electrónicos y circuitos eléctricos asociados y reducir la
incidencia de averías de componentes relacionadas con el calor.
Un aparato de absorción de energía térmica
ilustrativo tiene la estructura de soporte y el material de
absorción de energía térmica integrados. Por ejemplo, una
estructura de soporte para los dispositivos electrónicos de
emisión/recepción y/o una estructura de soporte para la estructura
de tratamiento térmico pueden impregnarse con un material con una
alta capacidad de calor específico y/o que experimenta un cambio de
fase en el intervalo de temperaturas asociado con el calor disipado
por el componente electrónico. En funcionamiento, el componente
electrónico genera calor residual. En consecuencia, el material de
absorción de energía térmica absorbe el calor residual conducido
térmicamente desde el componente electrónico a la estructura de
soporte y eleva la temperatura del material de absorción de energía
térmica. Si existe suficiente calor residual, el aumento de
temperatura asociado en el material de absorción de energía térmica
puede alcanzar la temperatura de cambio de fase, temperatura a la
cual permanece el material de absorción de energía térmica mientras
sigue absorbiendo el calor y experimentando el cambio de fase. Así,
el material de absorción de energía térmica puede contribuir a
mantener las temperaturas de unión por debajo de niveles críticos
durante el funcionamiento del componente electrónico.
Los componentes electrónicos pueden mantenerse
por debajo de una temperatura máxima de montaje superficial o de
unión a la cual pueden producirse ruptura de dieléctricos, fallo de
unión y otras averías debilitantes. Por ejemplo, para materiales de
GaAs o SiC, la temperatura es de 90ºC aproximadamente (por ejemplo,
\pm10% o mayor) y 120ºC aproximadamente (por ejemplo, \pm10% o
mayor), respectivamente. En consecuencia, el aparato de absorción
de energía térmica puede funcionar (por ejemplo, cambiar de fase), a
o por debajo de la temperatura máxima para un componente
electrónico en particular.
Un material de absorción de energía térmica
ilustrativo es un material de cambio de fase. Es decir, el material
de cambio de fase puede ser cualquier material seleccionado entre un
grupo de materiales que cambian de fase (por ejemplo, una
transformación de sólido a líquido, líquido a gas, sólido a gas, y/o
las transformaciones inversas, en un estrecho intervalo de
temperaturas mientras absorben (endotérmicos) o producen
(exotérmicos) grandes cantidades de energía calorífica). En una
reacción endotérmica, una parte del calor absorbido corresponde a
la absorción del calor latente de fusión o el calor latente de
vaporización para un cambio de fase sólido-líquido
y un cambio de fase de líquido a gas, respectivamente. Para mitigar
los incrementos de temperatura de componentes electrónicos con
soporte, el material de absorción de energía térmica puede ser
cualquier material que experimente una reacción endotérmica dentro
de un intervalo de temperaturas deseado del componente
electrónico.
Los materiales de cambio de fase son operativos
en un amplio intervalo de temperaturas e incluyen ejemplos como
hielo (temperatura de fusión de 0ºC y calor de fusión de 334,88
kJ/kg) y cera de parafina (temperatura de fusión de 52ºC y calor de
fusión de 146,51 kJ/kg). La fórmula química general para alcanos o
parafinas es: C_{n}H_{2n+2}. Para aplicaciones de
almacenamiento de energía térmica, pueden usarse parafinas normales,
debido a su mayor capacidad de almacenamiento de calor. Otras
propiedades físicas que influyen en el rendimiento de materiales de
cambio de fase incluyen el calor específico de sólido (parámetro de
calor absorbido en función de la temperatura en una sola fase),
conductividad térmica de sólido y líquido (parámetro de transporte
de calor en el material) y densidad específica de sólido y líquido
(parámetro de masa con respecto al volumen).
Los materiales comerciales de cambio de fase
pueden encontrarse en varias formas que incluyen granulado, polvo,
pasta y microencapsulado (material de cambio de fase en pequeñas
esferas de polímero). En general, los factores que han de
considerarse cuando se selecciona un material de cambio de fase
incluyen: impacto ecológico; toxicidad; inercia química a otros
materiales; longevidad; estabilidad a través de múltiples ciclos;
posibilidad de reciclarse; facilidad de manipulación, y estrechez
de la banda de temperaturas de fusión. Los materiales de cambio de
fase comerciales adecuados incluyen Rubitherm® disponible en
Rubitherm Gmbh de Hamburgo, Alemania, Climsel® disponible en
Climator AB de Skovde, Suecia, y TEAP® disponible en TEAP Energy de
Wangara, Australia.
El material de absorción de energía térmica
puede estar situado muy cerca del componente electrónico para
absorber con eficacia el calor residual. Sin embargo, el volumen
disponible puede ser limitado debido al empaquetamiento de alta
densidad de los componentes electrónicos individuales (por ejemplo,
los elementos de emisión/recepción de RF, Amplificadores de
Potencia de Microondas, y así sucesivamente), que constituyen los
grandes sistemas electrónicos (por ejemplo, unidad de
emisión/recepción de RF, unidad de radiación, unidad de medida
inercial, fuente de referencia térmica, y así sucesivamente). Por
tanto, puede usarse un material de absorción de energía térmica con
un gran calor de fusión y alta densidad específica para componentes
electrónicos que están densamente empaquetados.
En una forma de realización ilustrativa de un
aparato para absorber energía térmica, una estructura de soporte de
la espuma de aluminio puede tener un material de absorción de
energía térmica integrado con el volumen interior. Esta combinación
proporciona soporte estructural para el componente electrónico (por
ejemplo, APM, elemento de emisión/recepción de RF, y así
sucesivamente), mientras complementa la capacidad térmica del
sistema. El calor residual del componente electrónico puede ser
transportado por medio de la estructura de espuma de aluminio al
material de absorción de energía térmica, que absorbe la energía
térmica mientras su temperatura aumenta a la temperatura de cambio
de fase (por ejemplo, aumenta a la temperatura de cambio de fase
sólido-líquido). La energía térmica sigue siendo
absorbida por el material de absorción de energía térmica mientras
el cambio de fase tiene lugar con la reacción endotérmica
acompañante. La temperatura de cambio de fase y la resistencia
térmica entre el componente electrónico y el material de cambio de
fase fijan la temperatura del componente electrónico, al menos
durante el cambio de fase.
La combinación de un material de absorción de
energía térmica con una estructura de soporte adecuada puede
aportar la masa térmica adicional (por ejemplo, el material de
absorción de energía térmica) para una rápida absorción del calor
residual de componentes electrónicos durante periodos de tiempo
breves y, por tanto, contribuyen a mantener las temperaturas de
montaje superficial y de unión por debajo de niveles que tienen un
impacto perjudicial en el rendimiento de los componentes
electrónicos y/o degradan térmicamente los materiales durante el
funcionamiento del componente electrónico. La masa térmica
incrementada en la forma de material de absorción de energía
térmica incorporado en la estructura de soporte puede minimizar y
reducir la incidencia de las averías de componentes electrónicos
relacionados con el calor.
En una forma de realización ilustrativa, el
aparato para absorber energía térmica puede estar integrado
operativamente en una estructura de tratamiento térmico, según se
desvela en la solicitud de patente de EE.UU. de propiedad
compartida nº 10/107.177 de título "INTEGRATED POWER AND COOLING
ARCHITECTURE" presentada el 28 de marzo de 2002, cuyo contenido
completo se incorpora aquí como referencia. Por ejemplo, pueden
montarse varios MMIC y otras piezas electrónicas en una placa de
circuito que está soportada estructuralmente por un aparato para
absorber energía térmica. En una forma de realización ilustrativa,
el aparato tiene una estructura de soporte formada a partir de
espuma de aluminio y el material de absorción de energía térmica
está integrado en el volumen interior de la espuma de aluminio. En
este ejemplo, el material de absorción de energía térmica es
Rubitherm RT80, un material de cambio de fase. El calor residual del
MMIC es transportado por la estructura de espuma de aluminio y se
distribuye al material de absorción de energía térmica. El material
de absorción de energía térmica sólido absorbe el calor generado
por el MMIC mientras su temperatura aumenta a la temperatura de
cambio de fase de sólido a líquido de 79ºC. El calor generado por el
MMIC sigue absorbiéndose mientras el sólido cambia a una fase
líquida. La temperatura de cambio de fase y la resistencia térmica
entre el MMIC y el material de absorción de energía térmica
contribuye a fijar la temperatura de unión del MMIC y su rendimiento
operativo. En este ejemplo, el calor total generado por los
componentes electrónicos es de 45 vatios durante 30 segundos que
puede absorberse en la unidad mientras se mantiene una temperatura
de montaje superficial del MMIC de no más de 95ºC. La estructura de
soporte con material de absorción de energía térmica integrado
tiene un volumen de 6,55 cm^{3} de 23,27 cm^{3} para el sistema
total; la espuma de aluminio/material de absorción de energía
térmica pesa 8,65 gramos de 46,3 gramos para el sistema total; y el
material de absorción de energía térmica absorbe 700 julios de
calor de una carga total de calor de 1.350 julios. Así, la masa
térmica del sistema aumenta en un 48,7%. La temperatura de montaje
superficial sin el material de absorción de energía térmica
integrado en el volumen interior de la estructura de soporte sería
de 102ºC (superando así el límite de temperatura de montaje
superficial del MMIC) y el uso de aluminio sólido para la estructura
de soporte aumentaría el peso en 8,7 gramos (la invención reduce el
peso del sistema en el 16%).
En otra forma de realización ilustrativa, un
módulo de emisión/recepción (E/R) de RF está soportado
estructuralmente por espuma de aluminio ERF. El módulo de E/R puede
comprender componentes electrónicos disipadores de calor (como un
MMIC). La espuma de aluminio tiene el material de cambio de fase
Rubitherm RT80 integrado en el volumen interior de la espuma de
aluminio. El calor residual del módulo de E/R es transportado por la
estructura de espuma de aluminio y se distribuye al material de
absorción de energía térmica. El material de absorción de energía
térmica sólido absorbe el calor generado mientras su temperatura
aumenta a la temperatura de cambio de fase de sólido a líquido de
79ºC. El calor generado sigue absorbiéndose mientras el sólido
cambia a una fase líquida.
La temperatura de cambio de fase y la
resistencia térmica entre el MMIC y el material de absorción de
energía térmica fijan la temperatura de unión del MMIC y su
rendimiento operativo. La potencia total generada por los
componentes electrónicos es de 22,5 vatios durante 30 segundos que
puede ser absorbida en la unidad mientras se mantiene una
temperatura de montaje superficial del MMIC de 95ºC. La espuma
estructural con huecos rellenados con material de absorción de
energía térmica tiene un volumen de 3,28 cm^{3} de 11,63 cm^{3}
para el sistema total. El peso del material de absorción de energía
térmica/espuma de aluminio es de 4,33 gramos de 23,2 gramos para el
sistema total. El material de absorción de energía térmica absorbe
350 julios de calor de 675 julios de carga total de calor (la
invención aumenta la masa térmica del sistema en el 48,7%). La
temperatura de montaje superficial sin el material de absorción de
energía térmica integrado en el volumen interior de la estructura
de soporte sería 102ºC (superando así el límite de temperatura de
montaje superficial del MMIC) y el peso aumentaría en 8,7 gramos (la
invención reduce el peso del sistema en el 16%).
En una forma de realización ilustrativa
adicional, un teléfono móvil tiene un componente electrónico, como
podría ser un amplificador de potencia de RF. En modo en espera, la
disipación de calor estática es muy baja y se disipa al entorno
circundante con un aumento mínimo en la temperatura global de los
componentes. En otras palabras, la tasa de pérdida de energía
térmica ambiente se aproxima a la tasa de generación de energía
térmica estática. Sin embargo, cuando se transmite, el calor
residual de los componentes electrónicos puede ser muy alto y se
absorbe más energía térmica localmente en los componentes
electrónicos. El componente electrónico está soportado
estructuralmente por espuma de aluminio que tiene material de cambio
de fase (MCF) integrado (por ejemplo, cera de parafina combinada
con nitruro de boro) en el volumen interior. Así, el calor residual
durante la transmisión se transporta en la estructura de espuma de
aluminio en la que se distribuye al material de absorción de
energía térmica mientras sigue limitando la temperatura máxima de
montaje superficial. En esta forma de realización ilustrativa, el
material de absorción de energía térmica sólido absorbe el calor
mientras su temperatura aumenta a la temperatura de cambio de fase
de sólido a líquido de 52,4ºC. El calor sigue absorbiéndose
mientras parte del sólido cambia de fase al estado líquido. Durante
el posterior funcionamiento estático y/o en modo desactivado, todo
material de absorción de energía térmica líquido revertirá a sólido
por un procedimiento exotérmico en el que se conduce exceso de calor
y se disipa naturalmente al entorno circundante. El procedimiento
exotérmico puede ser tal que las pérdidas al ambiente puedan adecuar
la energía térmica para evitar elevar las temperaturas de montaje
superficial.
En otra forma de realización ilustrativa, una
batería térmica proporciona energía eléctrica a un componente
electrónico, como por ejemplo, en una aplicación militar, una
plataforma en suspensión en el aire, y así sucesivamente. La
reacción química en el interior de la batería produce energía
eléctrica y desprende grandes cantidades de calor residual. Para
mantener la temperatura de la batería por debajo de 300ºC (una
temperatura operativa eficaz para este sistema), las paredes de la
batería y la estructura que soporta las sustancias químicas
requeridas están hechas de espuma de aluminio. Un material de
absorción de energía térmica, como Rubitherm RT110 PCM, está
integrado con el volumen interior de la espuma de aluminio. El calor
residual de la batería activada es transportado en la estructura de
soporte de la espuma de aluminio en la que se distribuye al material
de absorción de energía térmica. El material de absorción de
energía térmica sólido absorbe el calor mientras su temperatura
aumenta a la temperatura de cambio de fase de sólido a líquido de
110ºC. El calor sigue absorbiéndose mientras el sólido cambia a
estado líquido.
En otra forma de realización ilustrativa, una
fuente de referencia térmica (FRT) mantiene la temperatura de una
superficie acondicionada a \pm0,1-0,5ºC de una
temperatura fija deseada para referencia electrónica de Infrarrojo
para Visión Avanzada (FLIR) para establecer la ganancia y el nivel
de señal. La FRT puede usar un dispositivo eléctrico térmico (ET)
para acondicionar por temperatura la superficie resultante en 3,5
vatios de calor residual generado en la superficie de montaje del
ET (opuesto a la superficie acondicionada por temperatura).
Normalmente, el acondicionamiento de superficie dura 120 segundos
con largos periodos de tiempo (normalmente, una hora) de actividad
estática, baja o sin disipación de calor. Los ET son capaces de
mantener una superficie acondicionada por temperatura dentro de
\pm30ºC de la temperatura de montaje superficial. La disipación
de calor estática se disipa naturalmente al entorno circundante. Sin
embargo, cuando el dispositivo ET es acondicionador de temperatura,
la disipación de calor es muy alta y debe absorberse localmente. El
ET está soportado estructuralmente por espuma de aluminio con un
material de absorción de energía térmica en un volumen interior de
4,10 cm^{3} que forma la superficie de montaje. El material de
absorción de energía térmica, por ejemplo, cera de parafina
combinada con nitruro de boro, se integra en el volumen interior de
la espuma de aluminio. El calor residual es transportado en la
estructura de soporte de la espuma de aluminio en la que se
distribuye al material de absorción de energía térmica. El material
de absorción de energía térmica sólido absorbe el calor mientras su
temperatura aumenta a la temperatura de cambio de fase de sólido a
líquido de 52,4ºC. El calor sigue absorbiéndose mientras parte del
sólido cambia a estado líquido. El rendimiento del ET, la
temperatura de cambio de fase y la resistencia térmica entre la
superficie de montaje del ET y el material de absorción de energía
térmica fijan la temperatura superficial acondicionada, que puede
ser tan baja como 25ºC. Durante el funcionamiento estático y/o modo
desconectado, cualquier material de absorción de energía térmica en
fase líquida revertirá a una fase sólida mediante un procedimiento
exotérmico en el que el exceso de calor es conducido y disipado
naturalmente al entorno circundante. A continuación puede repetirse
todo el ciclo. Esta configuración, relativa a un bloque ilustrativo
de aluminio sólido, puede proporcionar una reducción de peso del
50% y mejor rendimiento del ET. El punto operativo de la superficie
acondicionada por temperatura es de 50ºC para un bloque de aluminio
frente a 25ºC para el aparato de absorción de energía térmica.
En otra forma de realización, una placa de
circuitos de 6 por 6 pulgadas (6 x 6, 15 x 15 cm) puede funcionar
con una disipación muy alta de calor residual (por ejemplo, 18
vatios) durante un periodo de tiempo fijo (por ejemplo,
aproximadamente 300 segundos). La placa de circuitos unida por
tecnologías de montaje, como unión, pasta térmica, y así
sucesivamente, directamente a un soporte estructural, como espuma de
aluminio con material de absorción de energía térmica integrado en
el volumen interior, tiene un grosor de 0,22 cm. El calor residual
de la placa de circuitos se transporta a través de la estructura de
espuma de aluminio desde una posición de contacto y se distribuye
al material de absorción de energía térmica. El material de
absorción de energía térmica sólido absorbe el calor y la
temperatura aumenta a la temperatura de cambio de fase de sólido a
líquido. El calor sigue absorbiéndose mientras el sólido cambia a
líquido. El aumento de temperatura de la placa de circuitos será
15ºC aproximadamente. Un procedimiento tradicional es usar una
lámina de aluminio sólido que absorbe el calor y/o transporta el
calor a algún disipador final que tiene un aumento calculado de
temperatura de 41ºC.
En un procedimiento ilustrativo de control de
una temperatura de un componente electrónico, un componente
electrónico está montado en una estructura de soporte en
comunicación térmica con un material de absorción de energía
térmica integrado en un volumen interior de la estructura de
soporte. Al menos una parte de una carga térmica del componente
electrónico se transporta al material de absorción de energía
térmica, y la parte de la carga térmica es absorbida con el
material de absorción de energía térmica mientras experimenta una
reacción endotérmica durante un cambio de fase del material, de
manera que la temperatura del componente electrónico se mantiene por
debajo de una temperatura de montaje superficial.
En un procedimiento ilustrativo, el material de
absorción de energía térmica puede seleccionarse para tener una
temperatura de cambio de fase menor que la temperatura de montaje
superficial.
En otro procedimiento ilustrativo, el componente
electrónico puede montarse directamente en la estructura de
soporte.
Aunque la presente invención se ha descrito en
conexión con formas de realización preferidas de la misma, los
expertos en la materia observarán que pueden realizarse añadidos,
supresiones, modificaciones y sustituciones no descritas
específicamente sin apartarse del espíritu y el ámbito de la
invención según se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (19)
1. Un aparato para absorber energía térmica,
comprendiendo el aparato (100; 200):
un componente electrónico (102; 204);
una estructura de soporte (104; 206) para el
componente electrónico (102; 204), teniendo la estructura de
soporte (104; 206) un primer conjunto de superficies (108) que
define un volumen interior (110, 210) que contiene una pluralidad
de superficies secundarias (112); y
un material de absorción de energía térmica
(106; 208) integrado en el volumen interior (110; 210), en contacto
con al menos una parte de las superficies secundarias (112) para
formar una estructura compuesta, estando el material de absorción
de energía térmica (106; 208) en comunicación térmica operativa con
el componente electrónico (102; 204) de manera que al menos una
parte de la energía térmica generada por el componente electrónico
(102; 204) fluye, por medio de la estructura de soporte (104; 206),
al material de absorción de energía térmica (106; 208),
caracterizado porque la estructura de soporte (104; 206)
tiene un volumen interior en la forma de al menos una de una
geometría de célula abierta conectada continuamente y una pluralidad
de volúmenes discretos.
2. El aparato de la reivindicación 1, en el que
el componente electrónico (102; 204) es uno o más de un circuito
integrado monolítico de ondas milimétricas, un amplificador de
potencia de radiofrecuencia, un chip electrónico, una placa de
circuitos y una batería térmica.
3. El aparato de la reivindicación 1, en el que
el componente electrónico (102; 204) es un elemento en una unidad
de medida inercial, una unidad de radiación, una unidad de
emisión/recepción o una fuente de referencia térmica.
4. El aparato de la reivindicación 1, en el que
la estructura de soporte se forma a partir de un material basado en
metal o basado en cerámica.
5. El aparato de la reivindicación 4, en el que
el material basado en metal es aluminio, espuma de aluminio o
cobre.
6. El aparato de la reivindicación 4, en el que
el material basado en cerámica es carburo de
silicio-aluminio.
7. El aparato de la reivindicación 1, en el que
la parte de la energía térmica es un calor residual generado por el
componente electrónico (102; 204).
8. El aparato de la reivindicación 1, en el que
el volumen interior está conectado continuamente.
9. El aparato de la reivindicación 1, en el que
la estructura de soporte es una espuma metálica con un volumen
interior en la forma de una geometría de célula abierta de forma
dodecaédrica conectada continuamente.
10. El aparato de la reivindicación 1, en el que
el material de absorción de energía térmica (106; 208) está en una
fase sólida una temperaturas ambiente y experimenta una reacción
endotérmica mientras cambia de fase a una fase líquida o a una fase
gaseosa.
11. El aparato de la reivindicación 1, en el que
el material de absorción de energía térmica (106; 208) se
selecciona entre el grupo constituido por un material de cambio de
fase, agua, hielo, cera y cera mezclada con nitruro de
boro.
boro.
12. El aparato de la reivindicación 1, en el que
una temperatura de cambio de fase del material de absorción de
energía térmica (106; 208) y una resistencia térmica entre el
componente electrónico (102; 204) y el material de absorción de
energía térmica (106; 208) fijan conjuntamente una temperatura de
unión del componente electrónico (102; 204).
13. El aparato de la reivindicación 1, en el que
el material de absorción de energía térmica (106; 208) se integra
con el volumen interior de manera que en el volumen interior está
presente un volumen de expansión suficiente para admitir un aumento
en volumen del material de absorción de energía térmica (106; 208)
cuando la energía térmica es absorbida o el material cambia de
fase.
14. El aparato de la reivindicación 1, en el que
el componente electrónico (102; 204) está montado en al menos uno
del primer conjunto de superficies.
15. El aparato de la reivindicación 14, en el
que el componente electrónico (102; 204) está montado directamente
en la estructura de soporte (104; 206).
16. El aparato de la reivindicación 1, en el que
el aparato (100; 200) está montado operativamente en una plataforma
en suspensión en el aire.
17. Un procedimiento de control de una
temperatura de un componente electrónico (104; 206), comprendiendo
el procedimiento:
montaje de un componente electrónico (102; 204)
en una estructura de soporte (104; 206) en comunicación térmica con
un material de absorción de energía térmica (106; 208) integrado en
un volumen interior de la estructura de soporte (104; 206);
transporte de al menos una parte de una carga
térmica desde el componente electrónico (102; 204) al material de
absorción de energía térmica (106; 208); y
absorción de la parte de la carga térmica con el
material de absorción de energía térmica (106; 208) mientras
experimenta una reacción endotérmica durante un cambio de fase del
material, de manera que la temperatura del componente electrónico
(102; 204) se mantiene por debajo de una temperatura de montaje
superficial, caracterizado porque la estructura de soporte
(104; 206) tiene un volumen interior en la forma de al menos uno de:
una geometría de célula abierta conectada continuamente y una
pluralidad de volúmenes discretos.
18. El procedimiento de la reivindicación 17, en
el que el componente electrónico (102; 204) está montado
directamente en la estructura de soporte (104; 206).
19. El procedimiento de la reivindicación 17,
que comprende la selección del material de absorción de energía
térmica (106; 208) para que tenga una temperatura de cambio de fase
menor que la temperatura de montaje superficial.
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