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.
Campo de la invención
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.
Información antecedente
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.
Resumen
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.
Breve descripción de las figuras de dibujos
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.
Descripción detallada de las formas de realización preferidas
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.
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.
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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