ES2306434T3 - Refrigerador microestructurado y su utilizacion. - Google Patents
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Abstract
Un refrigerador microestructurado (3) para refrigerar un elemento (4) que comprende: a. una pila de al menos dos láminas de metal (1); dichas láminas contienen canales (2) para refrigerante, y una placa de base (5) adaptada para entrar en contacto térmico con dicho elemento (4) mediante una superficie de contacto térmico (6); de forma que dichas láminas de metal (1) y dicha placa de base (5) se unen como si formaran una sola pieza de material y dichos canales (2) tienen una anchura b que oscila entre 100 y 350 mum, una profundidad que oscila entre 30 y 150 mum, un espacio medio s que oscila entre 30 y 300 mum, un grosor de lámina residual r restante tras la formación de dichos canales (2) en las mencionadas láminas de metal (1) que oscila entre 30 y 300 mum y que dicha placa de base (5) posee un grosor g que oscila entre 100 y 1.000 mum, b. por lo menos una cámara de fragmentación (10) que atraviesa dichas láminas de metal (1) en el área de la mencionada superficie de contacto térmico (6) y que dicha cámara comunica con su respectivo lado de entrada con todos o con algunos canales (2) seleccionados mediante puertos de entrada de canal, c. por lo menos una cámara de entrada (20) para la admisión de refrigerante en dicho refrigerador (3), y que la mencionada cámara comunica con por lo menos una cámara de fragmentación mencionada (10), d. por lo menos una cámara colectora (11) atraviesa las láminas de metal (1) y comunica con el extremo respectivo del lado de la salida de todos o de algunos canales (2) seleccionados a través de puertos de salida de canal, y e. por lo menos una cámara de salida (21) para evacuar el refrigerante de dicho refrigerador (3), y que dicha cámara comunica con por lo menos una cámara colectora mencionada (11), caracterizada por el hecho de que el área transversal de los canales (2) en una capa de canal adyacente a dicha placa de base (5) es superior al área transversal de los canales (2) en una capa de canal situada en la pila del lado opuesto a dicha placa de base (5).
Description
Refrigerador microestructurado y su
utilización.
El presente invento hace referencia a un
refrigerador microestructurado para refrigerar un elemento y a la
utilización de un refrigerador de este tipo para refrigerar
componentes electrónicos tales como procesadores, más
concretamente, unidades centrales de proceso (CPU) y componentes de
electrónica de potencia.
El aumento continuo del rendimiento de los
componentes electrónicos, por ejemplo, el aumento de las frecuencias
de reloj en los microprocesadores, está asociado a una mayor
acumulación de calor en dichos componentes. La miniaturización de
los componentes aumenta aún más esta acumulación. Los problemas
térmicos aumentan a pesar de que se toman medidas para minimizar la
pérdida de potencia en los procesadores. Además, el aumento de la
densidad del alojamiento de los diferentes componentes del sistema
en general (por ejemplo, un servidor), se traduce en aún más calor
que debe disiparse en un volumen cada vez más reducido. No obstante,
el rendimiento y la durabilidad de los componentes electrónicos
dependen de los valores máximos de temperatura de funcionamiento y
su margen de fluctuación. Como consecuencia, existe la necesidad de
emplear sistemas de refrigeración de alto rendimiento para
garantizar una disipación del calor local eficiente.
Actualmente, un procesador moderno libera, por
ejemplo, 150 vatios en forma de calor en un área de 1 cm^{2}.
Esto es mucho más calor que el generado por un fogón de cocina
(alrededor de 10 vatios/cm^{2}). Para disipar esta cantidad de
calor, los sistemas de refrigeración más importantes que se utilizan
son disipadores de calor, ventiladores, combinados con disipadores
de calor, intercambiadores de calor, células Peltier y sistemas de
refrigeración por líquido. Se espera que la cantidad de calor que
deba disiparse en el futuro aumente aún más.
Actualmente, la técnica de refrigeración más
utilizada para componentes electrónicos es la refrigeración por
aire ambiente. En muchas aplicaciones esta técnica ha demostrado ser
sencilla y rentable. Para los sistemas que requieren rendimientos
de refrigeración más altos, este principio es muy poco económico,
pues requiere sistemas de aire acondicionado con una alta potencia
en su misma medida, y también resulta problemático en lo que
respecta a energía y política medioambiental.
Con la nueva generación de procesadores, con una
potencia térmica muy elevada, la refrigeración por aire también
supera sus límites. En la mayoría de los casos, la disipación de
calor puede garantizarse aumentando la potencia del ventilador, lo
cual sin embargo aumenta el ruido durante el funcionamiento. En la
actualidad, 55 dB ya es excesivo para las aplicaciones
empresariales y domésticas.
Si se compara directamente con otros sistemas de
refrigeración, los sistemas de refrigeración por líquido fabricados
con materiales metálicos o cerámicos ofrecen la potencia de
refrigeración más elevada. Esto se debe principalmente a la elevada
capacidad calorífica del medio refrigerante (agua, por ejemplo) y a
su baja viscosidad. Últimamente se han comercializado
refrigeradores de agua para microprocesadores hechos de cobre,
aluminio y cerámica. Hoy en día, todos estos productos se
caracterizan por unos costes de fabricación elevados y una
producción no industrial, a pequeña escala.
Un refrigerador por líquido para un chip Power
de IBM se ilustra en: Heat Transfer Engineering,
25(3), 3-12, 2004. Este refrigerador posee
una estructura de minicanales fabricada totalmente en silicona y
unida a la CPU.
El documento WO 98/41.076-A2
describe un aparato para refrigerar componentes electrónicos cuya
capacidad ha aumentado considerablemente en comparación con otros
refrigeradores conocidos mediante un disipador de calor y en el
cual el coeficiente de transferencia de calor y, a consecuencia de
ello, la conductancia térmica se describen como mejorados
considerablemente. El documento menciona en este contexto que la
mayor pérdida de presión generada por el líquido de refrigeración
cuando pasa a través del disipador de calor microestructurado se
produce en la región de las estructuras de distribución y de los
canales de conexión. Para solucionar el problema, se propone crear
un refrigerador con varias capas individuales consistentes al menos
en una placa con numerosos microcanales y un canal de distribución,
además de una placa intermedia con canales de conexión y una placa
colectora con canales colectores, de forma que se obtendrán los
canales de refrigeración cerrados al proveer las placas de una
placa de cubierta y una placa de base normales. El medio de
refrigeración de los canales de refrigeración se introduce en el
disipador de calor de microestructura mediante un puerto de entrada
y sale de éste por un puerto de salida. La placa intermedia del
medio de refrigeración forma una estructura de transición
escalonada y/o biselada donde las áreas transversales del puerto de
entrada y/o salida, cada una de ellas representada por una sección
vertical respecto a la superficie a través de todas las capas
individuales, se unen sucesivamente al área transversal de los
microcanales. Se menciona un refrigerador con canales de
refrigeración que poseen una sección transversal de flujo de 0,3 x
10 mm a modo de ejemplo. En este refrigerador se alcanza un
coeficiente de transferencia de 8,5 vatios/cm^{2}\cdotK y una
pérdida de presión de 0,5 bares a un caudal volumétrico de 500
ml/min. Con estos datos de potencia, este refrigerador bastante
complejo solo alcanza alrededor del 10% de la capacidad de
refrigeración necesaria para una CPU media.
En comparación con los microrreactores y los
intercambiadores de microcalor que ya están en uso en proyectos de
investigación y desarrollo, así como en procesos industriales
pioneros, el problema del diseño de refrigeradores electrónicos
sigue en buena parte sin resolver, puesto que la "gestión del
calor" en un microrreactor o en un intercambiador de microcalor
es totalmente diferente a la de un refrigerador, que debe disipar el
calor de una superficie.
En un reactor, el calor generado en un medio
líquido, esto es, dentro del reactor, debe disiparse o
intercambiarse lo más rápido posible si uno quiere aproximarse lo
más posible al ideal de un proceso isotérmico. Por este motivo, se
intentan mantener las secciones transversales de los canales y el
grosor de la pared entre los canales lo más bajos posible dentro de
los límites técnicos de un proceso de reacción. Es un hecho que un
reactor también debe optimizarse en lo que respecta al diseño, por
ejemplo, en lo que se refiere a resistencia al flujo, caudal, etc.
Pero el principio básico de la gestión del calor es sencillo a nivel
comparativo.
Un estudio más detallado revela que este objeto,
es decir, la disipación del calor de una superficie que se calienta
mucho localmente, es un problema muy complejo. La dificultad con la
que se encuentra es que la fuente actual de calor está situado
fuera del refrigerador. Por este motivo, las resistencias al calor
dentro de la estructura tridimensional del disipador de calor a
través del cual circula el líquido deben tenerse mucho más en
cuenta.
Encontrar una solución a este problema se ha
convertido en algo mucho más difícil debido a las nuevas exigencias
específicas de la electrónica (por ejemplo, para la refrigeración de
componentes de CPU), puesto que el calor debe disiparse con un
mínimo de agua de refrigeración y un mínimo de pérdida de presión en
el refrigerador. Aunque se ha descubierto que es posible aumentar
la capacidad de refrigeración empleando estructuras cada vez más
finas, es decir, secciones transversales de canal cada vez más
reducidas, esto sólo es posible de forma limitada debido al aumento
excesivo de la resistencia al flujo resultante.
Este efecto se convierte en un problema cuando
se intenta disipar una gran cantidad de calor a través de una
superficie reducida sin que se permita aumentar mucho la resistencia
al flujo. En este caso, la capacidad de refrigeración no puede
aumentarse con sólo aumentar la velocidad del flujo del medio de
refrigeración mediante una diferencia de presión superior, como
sería de esperar. Para la aplicación en PC, servidores y estaciones
de trabajo suelen utilizarse bombas de baja presión, que generan una
presión de hasta unos 250 mbares, por ejemplo. Los sistemas de
bomba de refrigeración de alto rendimiento para los microrreactores
actuales que funcionan bajo prepresión de 5 bares o más, por
ejemplo, no son aceptables aquí por razones de coste.
Otra exigencia es que el refrigerador debe tener
una forma adaptada a la forma del componente electrónico, es decir,
el área de la superficie del refrigerador y el área de la superficie
de fijación del componente deben ser del mismo tamaño.
Por último, para una aplicación a gran escala,
debe garantizarse que el coste de fabricación para el refrigerador
por líquido y el sistema de refrigeración no sea considerablemente
superior al de la refrigeración por aire.
Para resolver los problemas mencionados, el
documento WO 04/032.231 propone por primera vez normas para
construir, diseñar y configurar refrigeradores
microestructurados.
El refrigerador descrito en el presente
documento comprende una pila de al menos dos láminas de metal y una
placa de base que debe ponerse en contacto térmico con el elemento
que debe refrigerarse a través de una superficie de contacto
térmico. Las láminas de metal y la placa de base se unen con un
material que se ajusta mediante técnicas de unión adecuadas,
preferentemente por soldadura. En las láminas de metal hay canales
de circulación del refrigerante, de modo que el calor se disipa a
través del refrigerante que circula a través de éstos. Los canales
de las láminas de metal son de una anchura que oscila entre 100 y
2.000 \mum, preferentemente entre 200 y 500 \mum. Las pruebas
han demostrado que con todos los parámetros restantes igual, la
capacidad de refrigeración se reduce considerablemente a una
anchura de canal de 800 \mum o más y ya no resulta ventajoso para
aplicaciones de alto rendimiento. La profundidad del canal oscila
entre 25 y 1.000 \mum, preferentemente entre 50 y 400 \mum. Por
lo menos una de las dos variables geométricas, la anchura y la
profundidad de canal, se prefiere que se encuentre en el margen
micrométrico y el diámetro hidráulico: 4\cdotA/U; A = área de
superficie transversal, U = circunferencia (definida según:
Technische Strömungslehre (Dinámica de fluidos técnica),
Kamprath-Reihe, Vogel Verlag, W. Bohl, 11. Ed., pág.
131; Incropera, Frank P. and Dewitt, David P.: Fundamentals of
Heat and Mass Transfer, 4ª edición, John Wiley & Sons, NY,
1996, página 449), preferentemente en el margen de 200 a 500
\mum. El espacio medio entre los canales de una lámina de metal
oscila entre 50 y 1.000 \mum, preferentemente entre 150 y 300
\mum. Si además la sección transversal de los canales es
rectangular o casi rectangular, de modo que se forma una red entre
los canales de la lámina, este espacio se denomina "anchura de
red". Además, el grosor de la lámina residual al final de los
canales oscila entre 50 y 300 \mum, preferentemente entre 80 y
120 \mum. La placa de base del refrigerador tiene un grosor que
oscila entre 200 y 2.000 \mum, preferentemente entre 500 y 1.500
\mum. En concreto, si se requiere que la densidad de potencia sea
muy alta, todos los parámetros mencionados cumplen estas exigencias
hasta cierto punto si se encuentran en los márgenes preferentes.
Asimismo los márgenes indicados para los campos de parámetros se
aplican concretamente cuando se usa Cu como material de
base.
base.
En una de las variantes de diseño indicadas en
el documento WO 04/032.231-A, las láminas de metal
se interrumpen aproximadamente a la altura de la superficie de
contacto térmico, mediante por lo menos una cámara de fragmentación
en forma de brecha, de modo que las láminas de metal quedan
divididas por dicha brecha. Esta disposición permite al
refrigerante, que fluye dentro de la cámara de fragmentación desde
la parte superior, entrar en contacto con la placa de base
aproximadamente en el área central, donde se encuentra la superficie
de contacto térmico. En un extremo, todos los canales comunican con
la brecha. A consecuencia de ello, hay dos grupos de canales
orientados en paralelo. Por ejemplo, el refrigerador también va
provisto de dos cámaras colectoras que comunican con todos los
canales en el otro extremo de éstos. Las cámaras colectoras
preferentemente comunican de tal modo que el refrigerante de la
cámara de fragmentación puede fluir dentro de los canales de
circulación cruzados, y de ahí hasta las cámaras colectoras
comunicantes.
Sin embargo, este diseño se ve limitado por los
métodos de fabricación en lo que respecta a la geometría. Los
límites inferiores del margen para la anchura, la profundidad y el
espacio de canal (la anchura de red) vienen impuestos
considerablemente por las exigencias actuales que pesan sobre el
proceso de fabricación: Si los valores elegidos para estos
parámetros geométricos son muy reducidos, será muy difícil fabricar
el refrigerador a gran escala, puesto que en ese caso ya no es
posible observar las tolerancias necesarias. Las posibilidades de
fabricación dependen de la tecnología utilizada, de modo que los
límites inferiores del margen pueden ser incluso más bajos si se
mejora la técnica de fabricación.
En la actualidad, las exigencias existentes
sobre la capacidad de refrigeración mejorada aumentan más
rápidamente que las posibilidades de producción para aumentar la
capacidad de un refrigerador mediante la limitación de los límites
del margen.
Por este motivo, es un objetivo del presente
invento ofrecer un refrigerador microestructurado para refrigerar
un elemento cuya capacidad de refrigeración se optimiza más al
tiempo que se mantiene la posibilidad de la producción a gran
escala.
Otro objetivo del presente invento es ofrecer un
refrigerador microestructurado con un mínimo de agua refrigerante
y/o un mínimo de pérdida de presión en el refrigerador de forma que
la resistencia al flujo no aumente excesivamente sobre el flujo de
refrigerante a través del refrigerador en comparación con los
refrigeradores convencionales.
Es también otro objetivo del presente invento
ofrecer un refrigerador microestructurado cuyo coste de fabricación
sea comparable o incluso inferior al de los refrigeradores
convencionales.
Es también otro objetivo del presente invento
ofrecer un refrigerador microestructurado cuya forma se adapte al
componente electrónico que debe refrigerarse.
La solución para estos objetivos se consigue
mediante el refrigerador microestructurado de la reivindicación 1 y
con el uso del refrigerador microestructurado de la reivindicación
33. Las formas de realización preferentes del invento se indican en
las reivindicaciones subordinadas.
El presente invento hace referencia a un
refrigerador microestructurado utilizado para refrigerar elementos
mediante contacto de conductividad térmica. Más concretamente, el
presente invento hace referencia al uso de dicho refrigerador para
refrigerar componentes electrónicos tales como procesadores, por
ejemplo, unidades centrales de proceso (CPU) y componentes de
electrónica de potencia. En lo que respecta a construcción/diseño,
estructura y método de unión, el refrigerador microestructurado del
invento resulta adecuado para la fabricación a gran escala, de modo
que posibilita la fabricación a gran escala y bajo coste del
refrigerador microestructurado.
El refrigerador del invento comprende una pila
de al menos dos láminas de metal (hojas de metal) y una placa de
base que se pone en contacto térmico con el elemento que debe
refrigerarse a través de una superficie de contacto térmico
(limitada al área en la que el elemento que debe refrigerarse está
en contacto con el refrigerador). Las láminas de metal y la placa
de base se unen para formar una sola pieza de material mediante
técnicas de unión adecuadas, preferentemente por
soldadura/soldadura fuerte. En las láminas de metal hay canales de
circulación del refrigerante, de modo que el refrigerante (por
ejemplo, agua) fluye por ellos y sirve para disipar el calor.
Preferentemente, los canales de las láminas de metal discurren
paralelos entre sí.
En comparación con el documento WO 04/032231 A y
conforme con el presente invento, se seleccionan márgenes
especiales para la anchura de canal b, la profundidad de canal t y
el espacio de canal (anchura de red) s. Para ver una definición de
éstos y de otros parámetros, el lector puede consultar la figura 1.
La realización de estos parámetros permite obtener ventajosas
propiedades para el refrigerador:
Los canales de las láminas de metal son de una
anchura b que oscila entre 100 y 350 \mum, preferentemente entre
200 y 300 \mum. Las pruebas han demostrado que si todos los
parámetros restantes se mantienen igual, la capacidad de
refrigeración del refrigerador se reduce considerablemente a una
anchura de canal de 350 \mum o más y ya no resulta ventajoso para
aplicaciones de alto rendimiento.
La profundidad de canal t oscila entre 30 y 150
\mum, preferentemente entre 50 y 120 \mum.
El diámetro hidráulico (definición tal como se
indica anteriormente en el presente documento) debería oscilar
preferentemente entre 70 y 250 \mum. El espacio medio entre los
canales s oscila entre 30 y 300 \mum, preferentemente entre 150 y
300 \mum. El intervalo entre los canales se denomina "red" y
el espacio medio entre los canales s también se denomina "anchura
de red".
Además, el grosor de la lámina residual r al
final de los canales oscila entre 30 y 300 \mum, preferentemente
entre 50 y 250 \mum, más preferentemente entre 50 y 120
\mum.
La placa de base del refrigerador tiene un
grosor g que oscila entre 100 y 1.000 \mum, preferentemente entre
300 y 500 \mum.
Para todos los parámetros indicados, los
objetivos mencionados se alcanzan hasta cierto punto si los valores
se encuentran en los márgenes preferentes, concretamente, si la
densidad de potencia requerida es muy elevada. Además, los márgenes
indicados para los parámetros son de aplicación concretamente si se
utiliza Cu como material de base para las láminas de metal y la
placa de base, pero serán igualmente válidos si se utiliza otro
material.
Para elegir las combinaciones más ventajosas de
anchura de canal b, espacio de canal s y grosor de lámina residual
r, las proporciones preferentes entre los parámetros que se aplican
son las siguientes:
Proporción de anchura de canal b con respecto al
espacio s entre los canales: de 1,5:1 a través de 2,5:1;
preferentemente de 1,0:1 a través de 2,0:1.
Proporción de anchura de canal b respecto al
grosor de lámina residual r: de 1:1 a través de 5:1; preferentemente
de 2:1 a través de 5:1.
Otra variable de influencia es la proporción de
aspecto de los canales, es decir, la proporción de la profundidad
de canal t respecto a la anchura de canal b. En la sección
transversal de canal igual, los canales profundos (proporción de
aspecto t/b elevada) tienen un efecto claramente positivo sobre la
transferencia de calor del refrigerador. Con el refrigerador del
invento, dicha proporción de aspecto depende de los límites del
respectivo proceso de grabado, con los valores máximos para t/b que
pueden alcanzarse oscilando ahora entre 1:2 y 1:5.
Si se toman en consideración las reglas de
dimensionado y los valores de los parámetros mencionados, es decir,
la anchura de canal b, la profundidad de canal t, el espacio de
canal s, el grosor de lámina residual r y el grosor de placa de
base g, se podría optimizar preferentemente dentro de los márgenes
indicados de tal modo que la resistencia térmica R_{tn\_c} del
refrigerador (cuya definición aparece más adelante en el presente
documento) se minimiza a un caudal, pérdida de presión, tamaño del
área de superficie de contacto térmico y temperatura del
refrigerante determinados.
Además, los valores de los parámetros
mencionados también podrían optimizarse de modo que la resistencia
térmica R_{th\_c} del refrigerador con una pérdida de presión de
130 mbares sea inferior o igual a 0,05 K/W (Kelvin/Vatio). La
temperatura del refrigerante es de aproximadamente 50ºC y
corresponde al área de la superficie de la CPU, a consecuencia de
ello, el área de la superficie de contacto térmico es de 12 mm x 12
mm.
Asimismo, los valores de los parámetros
mencionados también pueden establecerse de modo que se obtenga una
proporción de la capacidad de refrigeración del refrigerador
respecto al volumen del refrigerante, es decir, una
"compactibilidad" de por lo menos 10 W/cm^{3},
preferentemente de por lo menos 60 W/cm^{3}.
Asimismo, los valores de los parámetros
mencionados también pueden establecerse de modo que se obtenga una
capacidad de refrigeración por volumen y diferencia \DeltaT entre
la temperatura de la superficie de contacto térmico T_{cs} y la
temperatura media del refrigerante T_{m} de por lo menos 1
W/(cm^{3} K), preferentemente de por lo menos 6 W/(cm^{3}
K).
Además, los valores de los parámetros
mencionados también pueden establecerse de forma que se obtenga una
capacidad de refrigeración específica, con pérdida de presión
estándar, de por lo menos 0,1 W/(cm^{3}\cdotK\cdotl/min),
preferentemente de por lo menos 0,8 W/(cm^{3}\cdotK\cdotl/min)
e incluso más preferentemente de por lo menos 5
W/(cm^{3}\cdotK\cdotl/min).
Asimismo, los valores de los parámetros
mencionados también pueden establecerse de modo que se obtenga una
capacidad de transferencia de calor de 200 vatios a una diferencia
\DeltaT entre las temperaturas de la superficie de contacto
térmico T_{cs} y la temperatura media del refrigerante T_{m} que
no exceda los 10 K, a un caudal de refrigerante a través del
refrigerador de 1,2 l/min y a una pérdida de presión que no exceda
los 150 mbares. Aquí también se supone que la superficie de contacto
térmico, es decir, la superficie de la CPU que debe refrigerarse,
es de 12 mm x 12 mm.
El refrigerador del invento también incluye:
- por lo menos una cámara de fragmentación que
atraviesa las láminas de metal aproximadamente en el área de la
superficie de contacto térmico, y que dicha cámara comunica con su
respectiva del extremo de la entrada de todos o de unos canales
seleccionados a través de puertos de entrada;
- por lo menos una cámara de entrada para que el
refrigerante entre en el refrigerador, y dicha cámara comunica con
por lo menos una cámara de fragmentación;
- por lo menos una cámara colectora que
atraviesa las láminas de metal y que comunica con el respectivo
extremo de salida de todos los canales o de algunos canales
seleccionados a través de puertos de salida de canal; y
- por lo menos una cámara de salida para que el
refrigerante salga del refrigerador, y dicha cámara comunica con
por lo menos una cámara colectora.
El refrigerador del invento se caracteriza por
el hecho de que el área transversal de los canales en una capa de
canal adyacente a la placa de base es superior al área transversal
de los canales en una capa de canal situada en la pila del lado
opuesto de la placa de base. Más concretamente, el refrigerador del
invento se caracteriza por el hecho de que la profundidad de los
canales en una capa de canal adyacente a la placa de base es
superior a la profundidad de los canales en una capa de canal
situada en la pila del lado opuesto de la placa de base. Esto puede
realizarse concretamente debido al hecho de que una primera lámina
de metal adyacente a la placa de base y la propia placa de base
están provistas de canales y unidas de tal forma que las
superficies de la primera lámina de metal y de la placa de base que
comprenden los canales están encaradas y que los canales de la
primera lámina de metal y de la placa de base coinciden. Debido a
ello, los canales que se forman conjuntamente en la placa de base y
en la primera lámina de metal tienen mayor profundidad y, por
tanto, mayor área transversal que los canales de las otras láminas
de metal, incluidos lo canales de la lámina de metal situada en la
pila del lado opuesto de la placa de base. Asimismo, la anchura de
los canales en una capa de canales adyacente a la placa de base
puede hacerse más larga que la anchura de los canales en una capa
de canal situada en la pila del lado opuesto de la placa de base. En
cualquiera de los dos casos, el área transversal o la profundidad
de los canales, respectivamente, puede ser más grande en una, dos,
tres o incluso más capa(s) de canal adyacente(s) a la
placa de base en comparación con el área transversal o la
profundidad, respectivamente, de los canales en capa(s) de
canal situadas en el otro lado de la pila de láminas de metal.
Conforme a ello, el refrigerador del invento
constituye una mejora específica del refrigerador microestructurado
descrito en el documento WO 04/032231 A.
Al aumentar el área transversal, más
concretamente, la profundidad de los canales en la primera (o más)
capa(s) de metal adyacentes a la placa de base, la capacidad
de refrigeración del refrigerador del invento aumenta respecto a la
del refrigerador de WO 04/032231 A. Esto se debe al hecho de que el
efecto refrigerante más grande se alcanza por la proximidad de la
superficie de contacto térmico con el elemento que debe refrigerarse
mediante el refrigerante que circula por los canales de la primera
lámina de metal. El refrigerante que circula por los canales en
láminas de metal dispuestas más lejos de la placa de base no
participará en el efecto de refrigeración en la misma medida. Por
este motivo se prefiere que sólo el área transversal (más
concretamente, la profundidad) de los canales de la primera capa de
canal se incremente en comparación con los canales de todas las
otras capas de canal. En los canales más profundos de una primera
capa de canal adyacente a la placa de base, la pérdida de presión
para el refrigerante puede reducirse, o bien la capacidad de
refrigeración se aumenta a una pérdida de presión determinada. Como
este efecto es más fuerte en los canales de las primeras capas de
metal que en los canales de las otras láminas de metal de la pila,
esta misma provisión permitirá optimizar de un modo especialmente
eficiente la capacidad de refrigeración del refrigerador.
Dado que una primera capa de metal adyacente a
la placa de base y la placa de base están provistas de microcanales
y unidas de forma que la superficie de la primera lámina de metal y
la de la placa de base que comprenden los canales están encaradas y
los canales de esta primera lámina de metal y de la placa de base
coinciden, la profundidad de canal de la primera capa de canal se
obtiene reuniendo las profundidades de los canales de la placa de
base y de la primera lámina de metal que se encuentra unida a la
placa de base de modo que forma una sola pieza de material. Al
doblar la profundidad de canal, la profundidad de la primera capa de
microcanales puede oscilar preferentemente entre 100 y 250
\mum.
Al tener tanto la placa de base como la primera
lámina de metal adyacente a dicha placa de base provistas de
canales y al estar unidas de forma que la unión de ambas origina una
estructura de canal de mayor profundidad, la fabricación del
refrigerador del invento resulta muy sencilla y rentable. Para ello
es posible emplear para la primera capa de canal en el área de la
placa de base exactamente el mismo método de fabricación que para
el resto de capas de canal. Los canales con mayor profundidad se
formarán simplemente al apilar adecuadamente la placa de base y la
primera capa de metal.
En una forma de realización del invento
especialmente preferente, por lo menos una cámara de entrada se
estrecha en dirección a por lo menos una cámara de fragmentación, y
por lo menos una cámara de salida se estrecha en dirección a por lo
menos una cámara colectora.
Esta implementación desarrollada del
refrigerador del invento también constituye una mejora respecto al
refrigerador conocido del documento WO 04/032231 A. En comparación
con este refrigerador conocido, se lleva a cabo una configuración
especialmente novedosa de una cámara de entrada y una cámara de
salida, de modo que esta configuración novedosa aumenta
considerablemente la capacidad de refrigeración del refrigerador del
invento, además de mantener la posibilidad de una fabricación a
gran escala que ya ha demostrado su eficiencia.
El uso de una cámara de entrada y una cámara de
salida formadas especialmente permite aumentar la capacidad de
refrigeración del refrigerante hasta un grado sorprendentemente
elevado y con la pérdida de presión lo más baja posible. La pérdida
de presión puede ajustarse en función de la capacidad de la
bomba.
Por lo menos una cámara de entrada se estrecha a
una anchura x del lado de la salida que es igual a la anchura
b_{10} de por lo menos una cámara de fragmentación (x \geq
b_{10}). Además, por lo menos una cámara de salida también se
estrecha hasta una anchura y del lado de la entrada que es por lo
menos igual a la anchura b_{11} de por lo menos una cámara
colectora (y \geq b_{11}). Para ajustarse a las tolerancias de
fabricación, es preferible que las anchuras x e y sean ligeramente
superiores a b_{10} y b_{11}, respectivamente. Esto puede ser
necesario para evitar que la correspondiente sección transversal
libre formada por la cámara de entrada y la cámara de salida,
respectivamente, en la transición a su correspondencia de la cámara
de fragmentación y las cámaras colectoras coincidan completamente
con la correspondiente sección transversal libre de su
correspondencia a la cámara de fragmentación y las cámaras
colectoras. Si las tolerancias de fabricación son muy bajas, la
anchura x del lado de la salida de la cámara de entrada podría ser
prácticamente igual a la anchura b_{10} de la cámara de
fragmentación (x = b_{10}). Asimismo, la anchura y del lado de
entrada de la cámara de salida podría en tal caso ser prácticamente
igual a la anchura b_{11} de la cámara colectora (y = b_{11}).
Esto podría permitir alcanzar la formación de los menos filos
sobresalientes posibles, puesto que los filos sobresalientes
podrían generar turbulencias y, como consecuencia, derivar en una
pérdida de presión.
De acuerdo con ello, en el diseño del invento,
las láminas de metal preferentemente se interrumpen mediante por lo
menos una cámara de fragmentación del lado de la entrada (diseño
canal fragmentado), aproximadamente en el área de la superficie de
contacto térmico. Esta cámara de fragmentación puede fragmentar, por
ejemplo, las láminas de metal en forma de brecha, siendo las
mencionadas láminas de metal preferentemente perpendiculares al
plano.
La anchura de brecha b_{10} de la cámara de
fragmentación podría oscilar, por ejemplo, entre 50 y 2.000 \mum.
La cámara de fragmentación puede atravesar el refrigerador
prácticamente a través de toda la sección transversal,
perpendicular a las láminas de metal. En caso de que la superficie
de contacto térmico esté dispuesta aproximadamente en el centro de
la placa de base, la cámara de fragmentación también fragmentará las
láminas de metal aproximadamente en el centro. Con esta disposición
el refrigerante fluye dentro de la cámara de fragmentación desde la
parte superior (si la placa de base se encuentra abajo) y también
entra en contacto con la placa de base en el área central, donde se
encuentra la superficie de contacto térmico. A consecuencia de ello,
en este área se consigue un tipo de flujo que tiende a una mayor
transferencia de calor.
Por lo menos una cámara de entrada comunica como
mínimo con un cuello de entrada y conduce el líquido refrigerante
que entra en el refrigerador a través del cuello de entrada hasta la
cámara de fragmentación. La cámara de entrada lleva directamente a
la cámara de fragmentación. Ya que la cámara de entrada se estrecha
en dirección a la cámara de fragmentación, la pérdida de presión
dentro del refrigerador puede reducirse considerablemente, de modo
que la capacidad de refrigeración aumenta de forma
significativa.
Puesto que los canales discurren preferentemente
en los planos de las láminas de metal, todos los canales están
dirigidos a su extremo de entrada en dirección a la cámara de
fragmentación y comunican con ésta. En una forma de realización
preferente se presentan dos grupos de canales que se extienden
prácticamente en paralelo, comunicando con la cámara de
fragmentación y su extremo de entrada.
También hay dentro del refrigerador por lo menos
una cámara colectora del lado de salida que comunica con todos los
canales del extremo de salida de ésta. Como ya se ha mencionado,
también hay por lo menos una cámara de salida. Las cámaras
colectoras se disponen preferentemente en el área donde se
confrontan los laterales del refrigerador y se extienden
prácticamente por todo lo ancho de su respectivo lateral del
refrigerante. Conforme a ello, las cámaras colectoras pueden
atravesar las láminas de metal como las cámaras de fragmentación.
Las cámaras colectoras pueden formarse preferentemente en una
configuración de brecha con una anchura de brecha de b_{11}. Las
cámaras colectoras preferentemente comunican entre sí, por ejemplo,
a través de la cámara de salida. Las cámaras colectoras conducen a
por lo menos una cámara de salida. La cámara de salida comunica con
cuellos de salida, a través de los cuales se evacua el refrigerante
del refrigerador.
De este modo, en una forma de realización
preferente del invento, el refrigerante fluye desde el cuello de
entrada a la cámara de fragmentación; de la cámara de fragmentación
a los canales que se cruzan con la cámara de fragmentación y las
cámaras colectoras, y de ahí a las cámaras colectoras; de las
cámaras colectoras a la cámara de salida y de la cámara de salida
al cuello de salida. A consecuencia de ello, el refrigerante puede
administrarse desde una línea de refrigeración externa a través del
cuello de entrada a la cámara de fragmentación, desde donde fluye
por los canales de flujo de refrigerante. El refrigerante luego se
administra a las cámaras colectoras y se evacua desde aquí, a
través del cuello de salida, a una línea de refrigeración
externa.
En una variante especialmente preferente se
presenta para alargar las redes entre los canales de forma que se
extiendan a través de la cámara de fragmentación y/o a través de por
lo menos una de las cámaras colectoras a fin de estabilizar las
hojas de metal, concretamente, cuando el grosor de las láminas es
reducido. Como consecuencia de ello, la cámara de fragmentación y
las cámaras colectoras se interrumpen mediante estas redes.
Conforme a otra forma de realización preferente
del invento, por lo menos una cámara de entrada posee una anchura m
del lado de entrada, donde m no excede la sección transversal del
cuello de entrada. Asimismo por lo menos una cámara de salida posee
una anchura n del lado de salida, donde n no excede la sección
transversal de por lo menos un cuello de salida.
En una implementación desarrollada del invento,
los canales se amplían hacia la cámara de fragmentación en el área
de entradas de canal, y la forma elegida de las entradas de canal es
concretamente cónica ("forma de embudo"). La ampliación abarca
una longitud E. La anchura de los canales se estrecha desde un
puerto de entrada del canal hasta la anchura media de canal b.
Esta provisión también ayuda a reducir la
pérdida de presión del refrigerante que circula en el refrigerador,
puesto que la resistencia al flujo del refrigerante que fluye de la
cámara de fragmentación a los canales se ha reducido.
Se ha probado como especialmente ventajoso el
hecho de que la proporción de espacio k entre los puertos de
entrada de canal respecto a la anchura de canal b oscilan entre 1,1
y 3. Es especialmente preferente que b oscile entre 1,2 y 1,8.
La longitud E que ocupa la ampliación de los
canales oscila entre 100 y 2.000 \mum, preferentemente entre 200
y 400 \mum.
El diseño del canal del invento se basa en
minimizar únicamente la sección transversal de los canales de forma
que se permita el flujo laminar en los canales en condiciones de
funcionamiento. Las turbulencias sólo se toleran donde la sección
transversal del flujo es elevada, es decir, donde la resistencia al
flujo es baja. De este modo, la pérdida de presión de un
refrigerador puede adaptarse fácilmente a la aplicación
correspondiente. Por lo general, el modo de proceder es que la
geometría (anchura de canal, profundidad y espacio) primero se
optimiza de forma aproximada dentro
de los márgenes indicados ajustando la proporción de área de superficie respecto al volumen de los canales de flujo.
de los márgenes indicados ajustando la proporción de área de superficie respecto al volumen de los canales de flujo.
Una proporción baja del área de superficie
respecto al volumen de la microestructura, por ejemplo, de 3.000
m^{2}/m^{3}, normalmente genera una baja resistencia al flujo,
pero también una baja transferencia de calor. Si la proporción del
área de superficie respecto al volumen es muy elevada, por ejemplo,
de 10.000 a 30.000 m^{2}/m^{3}, la resistencia al flujo aumenta
considerablemente, por lo que la situación óptima se alcanza
preferentemente en una proporción media del área de superficie
respecto al volumen.
Se ha demostrado que no basta con tan sólo
optimizar la resistencia al flujo y la proporción del área de
superficie respecto al volumen para optimizar la capacidad. En un
refrigerador microestructurado del invento, la fuente de calor está
situada fuera del componente y el calor se disipa a través de la
estructura de metal termoconductiva y a través el refrigerante.
Conforme a ello, además de optimizar las condiciones de flujo,
también es necesario optimizar la estructura espacial del
refrigerante. Como consecuencia, el objeto del invento se resuelve
optimizando un "factor hidrodinámi- co" responsable de
las condicione de flujo óptimas y un "factor de estructura"
impuesto por el diseño del refrigerador.
Los parámetros de diseño del invento y su
influencia en la capacidad de refrigeración se estudian a
continuación:
Se ha descubierto que resulta especialmente
ventajoso optimizar la proporción de la anchura de canal b respecto
al espacio de canal (anchura de red) s en lo que respecta a los
criterios de optimización anteriormente mencionados, concretamente
la pérdida de presión en el refrigerador y la diferencia entre la
temperatura y la superficie de contacto térmico en la placa de base
del refrigerador y la temperatura media del refrigerante en el
refrigerador \DeltaT o la resistencia térmica R_{tn\_c}. Si es
demasiado larga, una proporción provoca el deterioro de la
transferencia de calor. Conforme a ello, esta proporción (anchura
b/espacio medio s) debería oscilar preferentemente entre 1,5:1 y
2.5:1. Si es demasiado larga, una proporción de la anchura de canal
s respecto al grosor de lámina residual r tendrá un efecto similar.
La proporción anchura de canal/grosor de lámina residual debería
oscilar entre 1:1 y 5:1. Además, al minimizar el grosor de lámina
residual r, la transferencia de calor entre las capas separadas
mejora.
Conforme a ello, los parámetros de geometría de
canal (anchura de canal b, profundidad de canal t, longitud de
canal) influyen en la pérdida de presión, es decir, el factor
hidrodinámico, en tanto que el espacio de canal s, el grosor de
lámina residual r y el grosor de placa de base g influyen en la
transferencia de calor dentro de la estructura tridimensional y en
el exterior a la superficie de contacto térmico de la placa de base
(en el área de la superficie de refrigeración), es decir, el factor
de estructura. Este último es además muy dependiente de la
disposición espacial de los canales y de la dirección del flujo, es
decir, del diseño, tal y como se mostrará en los ejemplos de diseño
analizados a continuación.
Tal y como se indica arriba, la longitud de
canal I ejerce un efecto sobre la pérdida de presión. Cuanto más
largos son los canales, mayor es la pérdida de presión, por lo que
la capacidad de refrigeración a una pérdida de presión determinada
desciende. La longitud de canal I debería ser, en la medida de lo
posible, de 1 a 5 mm mayor que la extensión lateral de la
superficie de contacto térmico, que se supone que sería la suma de
las longitudes de los respectivos canales en los dos segmentos de
canal formados por la interrupción de los canales mediante la
cámara de fragmentación. La superficie de intercambio térmico
definida por los canales en las láminas de metal es preferentemente
mayor que la superficie de contacto térmico. De este modo se
consigue una transferencia de calor eficaz desde la superficie de
contacto térmico de la placa de base al refrigerante de los
canales.
La pérdida de presión que se produce mediante
remolinos/turbulencias en la zona de entrada y directamente sobre
la fuente de calor en la superficie de contacto térmico, así como la
pérdida de presión generada durante la fragmentación y la afluencia
en los canales de cada lado, se compensan acortando los canales y
doblando su número. Esto se debe al hecho de que la velocidad de
flujo del refrigerante conforme a la ley de
Hagen-Poiseuille es proporcional a la pérdida de
presión (\Deltap) y que la velocidad de flujo puede reducirse a la
mitad doblando el número de canales, y también al hecho de que la
pérdida de presión también se reduce reduciendo a la mitad la
longitud de los canales, concretamente un 75% como máximo.
Los canales poseen lo que se conoce como
"longitud crítica" a partir de la cual se ha formado
completamente el flujo laminar. En una área de entrada, la
distribución de la velocidad puede describirse mediante un perfil
prácticamente rectangular. En el último caso mencionado, la pérdida
de presión conforme a la ley de Hagen-Poiseuille es
mayor, mientras que la transferencia de calor es superior. Debido a
ello, el punto de transición entre el área de entrada y el área
donde el flujo laminar se ha formado completamente debe optimizarse
mediante un "efecto de entrada" de tal modo que la pérdida de
presión siga controlándose para mantenerse en su mínimo mientras la
transferencia de calor aumenta más. Sin embargo, en principio la
longitud de canal debería ser corta en cualquier construcción.
A partir de una "pérdida de presión crítica
\Deltap" como mínimo, la capacidad de refrigeración del
refrigerador desciende. Con las medidas de diseño descritas, este
mínimo puede bajarse más expresamente.
Una superficie de intercambio térmico definida
por los canales dentro del refrigerador que es mayor que la
superficie de contacto térmico de la placa de base también ha
demostrado ser beneficiosa. Los canales de flujo del refrigerador
podrían, por ejemplo, formar un patrón más o menos denso en una
lámina de metal y definir así una superficie de intercambio térmico
como la superficie ocupada por los canales de las láminas de metal
en cuya superficie el calor que fluye en el refrigerador es
absorbido por el refrigerante. Esta superficie de intercambio
térmico debería ser mayor que la superficie de la placa de base a
través de la cual el elemento que debe refrigerarse se encuentra en
contacto térmico directo con el refrigerador. Con esta medida de
optimización adicional, el calor es conducido del elemento que debe
refrigerarse a través de la superficie de contacto térmico del modo
más directo y completo posible hasta los canales de flujo y, a
consecuencia de ello, dentro del líquido refrigerante y no dentro
de las paredes laterales del refrigerador, por ejemplo.
Otra variable de influencia es la proporción de
aspecto de los canales, es decir, la proporción de la profundidad
de canal t respecto a la anchura de canal b. En la sección
transversal de canal igual, los canales profundos (proporción de
aspecto t/b elevada) tienen un efecto claramente positivo sobre la
transferencia de calor del refrigerador. Con el refrigerador del
invento, la proporción de aspecto depende de los límites del
respectivo proceso de grabado, con los valores máximos para t/b que
pueden alcanzarse oscilando ahora entre 1:2 y 1:5.
El refrigerador del invento contiene por lo
menos dos láminas de metal con canales de flujo. Los canales se
organizan preferentemente en planos de canal, los cuales se
extienden preferentemente dentro de las láminas de metal. Una sola
lámina de metal y, complementando a la misma, una placa de base
provista de surcos para formar canales de flujo puede utilizarse
mejor que dos láminas de metal, dado que una de las dos láminas de
metal será considerada como la placa de base si tiene canales.
El refrigerador microestructurado posee
preferentemente de 2 a 10 planos para los canales. Respecto a las
indicaciones realizadas anteriormente en el presente documento, esto
significa que se disponen 1-9 láminas de metal y,
además de éstas, una placa de base provista de canales o
2-10 láminas de metal y, además de éstas, una placa
de base sin canales. En cualquier caso, deben suministrarse por lo
menos dos planos de canal.
La capacidad de la transferencia de calor del
elemento que debe refrigerarse al refrigerante aumenta con el
número de planos de canal. Aunque se ha descubierto que la capacidad
de transferencia de calor no puede aumentarse más, por lo menos no
en una medida notable, si hay más de 10 capas con la misma
geometría. Pueden establecerse diferentes niveles de capacidad del
componente e influir adicionalmente en el coste de fabricación
expresamente con sólo variar el número de capas. Dado que cada
plano de canal aumenta el coste, un refrigerador se diseñará
preferentemente conforme a una proporción de coste/capacidad deseada
relacionada con la aplicación. Utilizando un método de fabricación
galvanotécnico, el coste puede reducirse considerablemente
reduciendo el área de superficie o el volumen y manteniendo la
capacidad de refrigeración suficiente si se optimiza el diseño del
refrigerador conforme a la aplicación.
La elección expresa de los parámetros de diseño
y de los principios de construcción mencionados anteriormente en el
presente documento permite reducir eficazmente la pérdida de presión
mediante el ingenioso diseño de la microestructura y obteniendo la
resistencia térmica más baja posible, lo cual permite una disipación
del calor eficiente a través del refrigerador.
En comparación con el refrigerador conocido de
WO 04/032231 A, una pérdida de presión del orden de 150 mbares
podría tolerarse a fin de satisfacer las elevadas exigencias
impuestas a la capacidad de disipación del calor y requeridas por
los sistemas de procesamiento actuales. Se ha atribuido una especial
importancia a minimizar la resistencia térmica. La resistencia
térmica constituye una cantidad para la oposición ofrecida a la
disipación del calor de un componente. Una resistencia térmica
reducida aumenta (de un modo análogo a la resistencia eléctrica) la
eficiencia y eficacia del componente.
La resistencia térmica del refrigerador
R_{th\_c}, basada en la temperatura media del refrigerante
T_{m}, se define como:
De modo que:
Donde:
T_{cs} es la temperatura de la superficie del
refrigerador en la superficie de contacto con la CPU;
T_{m} es la temperatura media del refrigerante
dentro del refrigerador;
P es la potencia refrigerante proporcionada al
elemento que debe refrigerarse;
T_{entrada} es la temperatura del refrigerante
al entrar en el refrigerador;
T_{salida} es la temperatura del refrigerante
al salir del refrigerador;
R_{th\_TIM2} es la resistencia térmica de una
capa intermedia TIM2 para el contacto térmico del elemento que debe
refrigerarse, por ejemplo, una CPU, en el refrigerador (TIM =
Material de Interfaz Térmica);
C_{p}: es la capacidad de calentamiento del
refrigerante;
m_{flujo}: es el flujo másico del
refrigerante.
La figura 7 muestra un esquema ilustrativo de la
conexión entre el refrigerador y la CPU con los parámetros
relevantes necesarios para definir la resistencia térmica.
Como la resistencia térmica interna de la propia
CPU y la del material de interfaz TIM2 dependen de las pro piedades
específicas de los materiales y no son el tema del presente invento,
se pretende minimizar la resistencia térmica del refrigerador
R_{th\_c} y, en conexión con ésta, la resistencia de contacto con
la superficie de la CPU.
La resistencia térmica específica de una capa
con un grosor de capa d (R_{th\_TIM2}/d) es una constante
específica del material. Sin embargo, la resistencia resultante
R_{th\_TIM2} se obtiene del producto de la resistencia específica
y el grosor de la capa TIM2 y es, por tanto, sumamente dependiente
del grosor de capa mínimo alcanzable. Por lo general, la capa
intermedia TIM2 se compone de una pasta termoconductiva. La
termoconductividad de dichas pastas es menor en muchos órdenes de
magnitud que la de los metales de los que está hecho el material de
base de la placa de base del refrigerante en la superficie de
contacto térmico. Por este motivo, debería optarse porque la capa
TIM2 entre la CPU y la placa de base del refrigerante fuera lo más
fina posible. En lo que respecta a la construcción, esto puede
conseguirse proporcionando un drenaje para la capa intermedia TIM2
termoconductiva en el lado de la placa de base que se encuentra de
cara al elemento que debe refrigerarse. En el lado en que la placa
de base está sujeta a la CPU (superficie de refrigeración), dicha
placa de base puede tener, más concretamente, una estructura en
forma de canales, con los canales abiertos en los extremos de la
placa de base, por lo que se proyectan más allá de la superficie de
contacto térmico. Al presionar la placa de base sobre la CPU en el
área de la superficie de contacto térmico, la pasta se distribuye
homogéneamente por toda la superficie y forma una capa lo más fina
posible entre la placa de base y la CPU. Ambos canales ejercen así
un "efecto de drenaje" y evitan que la pasta se acumule en
algunas áreas. De este modo se optimiza la termoconductividad entre
la CPU y la placa de base del refrigerador.
Mediante estas otras medidas de diseño, la
resistencia térmica R_{th\_TIM2} de la capa intermedia TIM2 puede
reducirse considerablemente respecto a los refrigeradores conocidos
y la extracción del calor de una CPU puede mejorar de forma
significativa gracias a ello.
Más concretamente, el refrigerador del invento
puede fabricarse utilizando un método de la técnica de
microestructura. Tal como se utiliza aquí, la técnica de
microestructura se entiende como un método de fabricación mediante
el cual se forman estructuras de alta resolución en el margen
micrométrico para después fabricarse en tecnología de circuitos
impresos. Dichos métodos comprenden la fabricación de imágenes de
estructura de alta resolución tales como mediante los pasos del
proceso fotolitográfico. En función de los recubrimientos empleados,
los canales pueden realizarse empleando, por ejemplo, métodos de
grabado en seco o de grabado profundo químico húmedo. La
microfabricación mecánica (como el microfresado, la
microestampación, las técnicas de reperfilado o similares) también
es posible, con preferencia de métodos análogos a los empleados para
circuitos impresos. Este tipo de métodos ya se conocen. Se remite
al lector, por ejemplo, a las indicaciones de la patente de EE.UU.
n.º 6.409.072, más concretamente, a métodos galvanotécnicos mediante
los cuales los canales y las perforaciones en las láminas de metal
se realizan mediante métodos de grabado y de deposición de metal y
mediante métodos de estructuración empleados para este fin durante
el grabado o la deposición de metal. Mediante los métodos descritos
en la patente de EE.UU. n.º 6.409.072, por ejemplo, pueden crearse
estructuras de canal mucho más finas que con la tecnología
convencional.
Los métodos galvanotécnicos son preferentemente
métodos análogos a los empleados en la producción de circuitos
impresos y comprende los pasos de proceso diferenciados de:
Fotolitografía, estructuración (preferentemente grabado), chapado
de metales y unión, preferentemente soldadura/soldadura fuerte. La
analogía con métodos para fabricar circuitos impresos consiste, por
un lado, en que las capas diferenciadas de una estructura
tridimensional compleja se realizan según los mismos métodos que se
utilizan también para la fabricación de circuitos impresos. Las
láminas microestructuradas así fabricadas se apilan y se unen de
forma similar a las multicapas en la técnica de circuitos impresos.
El diseño, la estructura y los sistemas de soldadura/soldadura
fuerte de los componentes se asemejan a este método hasta el punto
de ser manufacturables a gran escala, permitiendo así una
fabricación en serie rentable del refrigerador microestructurado.
Pueden emplearse las líneas existentes que, en la mayoría de casos,
no necesitan cambiarse, o sólo a un nivel insignificante. Las
ventajas del método de fabricación descrito consisten en el uso de
los métodos de microestructuración ya existentes en la escalabilidad
para la fabricación industrial en serie a un coste muy bajo. Por un
lado, esto ofrece la gran ventaja de permitir recurrir a una
tecnología ya probada de la fabricación en serie en una nueva
aplicación del refrigerador del invento y, por otro, posibilitar
una fácil combinación e integración de los pasos del método. De este
modo, para garantizar un montaje con el mínimo empleo de la fuerza,
el refrigerador puede montarse directamente en la CPU, por ejemplo,
sin ninguna mordaza de retención, preferentemente mediante
soldadura/soldadura fuerte o encolado.
Para unir los componentes, el grosor de la capa
del sistema de soldadura/soldadura fuerte y los parámetros de
proceso debe ajustarse cuidadosamente para permitir la
soldadura/soldadura fuerte en las prensas laminadoras empleadas
actualmente en la técnica de circuitos impresos. Se remite al lector
a la patente de EE.UU. n.º 6.409.072 para los posibles métodos de
unión.
Empleando la técnica de microestructuración
conforme al invento para la fabricación del refrigerador, pueden
obtenerse las propiedades siguientes:
1. Pérdida de presión mínima para el
refrigerante del refrigerador a un valor determinado para la
resistencia térmica;
2. Pequeña diferencia del valor impuesto por la
pérdida de presión en comparación con los refrigeradores conocidos
de este tipo;
3. Estanqueidad absoluta, fiable y muy elevada
(estanqueidad por vacío de hasta 10-9 mbares l/s) de
los componentes respecto al entorno, pero también entre los
microcanales, para optimizar el transporte del calor mediante una
unión completa, totalmente metálica;
4. Excelente resistencia a la presión del
refrigerador o solidez de las conexiones entre las láminas de metal
y la placa superior y de base;
5. Muy buena resistencia a la corrosión adaptada
al campo de aplicación, con la posibilidad de deposición
electroquímica de capas anticorrosión;
6. Resistencia a alta temperatura;
7. Canales sin sedimentos, bien definidos
geométricamente y homogéneos.
El refrigerador microestructurado del invento
sólo posee las láminas de metal y la placa de base fina
correspondiente que finaliza la pila en el lado encarado a la
superficie de contacto térmico para el elemento que debe
refrigerarse. Ya no se necesita una placa superior separada. Una
placa de canal normal cierra el propio refrigerador hacia la parte
superior. En la parte superior del mismo hay un elemento de
fragmentación y conexión que por lo general puede integrarse en un
soporte para el refrigerador (mecanismo de retención). También puede
haber una lámina de la placa de canal ligeramente más gruesa para
aumentar la estabilidad. Para fabricar el refrigerador
microestructurado, las láminas de la estructura llevan una placa de
base y van unidas para formar un componente compacto.
Para introducir refrigerante en el refrigerador
y para evacuarlo, se proporcionan dispositivos para la conexión de
tubos, por ejemplo, piezas de conexión (cuellos de entrada, cuellos
de salida) formados como una pieza integral mediante moldeo por
inyección, soldadura/soldadura fuerte o integración. El tubo o
manguera de conexión pueden integrarse directamente, o bien puede
atornillarse, soldarse, apretarse y/o encolarse. Las líneas de
líquido que llevan a las bombas y/o a contra refrigeradores externos
están conectadas a estas piezas de conexión.
Para entender mejor el invento, se remite al
lector a las figuras. Respecto a dichas figuras:
La figura 1 es una vista transversal esquemática
de una lámina de metal estructurada;
La figura 1a es una vista transversal
esquemática de una lámina de metal estructurada;
La figura 2 es una vista transversal esquemática
de un refrigerador microestructurado con un componente electrónico
con contacto térmico;
La figura 3a es una vista superior esquemática
de un plano del refrigerador microestructurado;
La figura 3b es una vista superior esquemática
de un plano de un refrigerador microestructurado en el que cada
segunda red entre los canales se alarga como elemento estabilizador,
extendiéndose más allá de la cámara de fragmentación y las cámaras
colectoras;
La figura 3c es, al igual que la figura 3a, una
vista superior con canales escalonados;
\newpage
La figura 3d es, al igual que la 3b, una vista
superior en la que todas las redes entre los canales se alargan,
extendiéndose más allá de la cámara de fragmentación y las cámaras
colectoras;
La figura 4a es una vista en perspectiva de un
refrigerador microestructurado;
La figura 4b es una vista en perspectiva de una
cubierta de refrigerador con cámara de entrada y cámara de
fragmentación de salida;
La figura 4c es una vista en sección de la
cubierta del refrigerador tomada a lo largo de la línea
A-A de la figura 4d;
La figura 4d es una vista superior de la
cubierta del refrigerador;
La figura 4e es una vista en sección de la
cubierta del refrigerador tomada a lo largo de la línea
B-B de la figura 4d;
La figura 5 es una ilustración del área de
entrada y salida del refrigerador en una vista transversal que
muestra el detalle de una capa de canal;
La figura 6 es una vista superior esquemática de
un plano del refrigerador microestructurado que muestra los
detalles del área de entrada con forma de embudo de un
microcanal;
La figura 7 es una representación esquemática de
la conexión entre el refrigerador y la CPU con los parámetros
relevantes para definir la resistencia térmica;
La figura 8 es una ilustración de la dependencia
de la resistencia térmica respecto al caudal para un refrigerador
del invento comparado con los refrigeradores según el estado
anterior de la técnica;
La figura 9 es una ilustración de la dependencia
de la resistencia térmica respecto a la pérdida de presión para un
refrigerador del invento comparado con los refrigeradores según el
estado anterior de la técnica.
Los componentes y elementos similares llevan los
mismos numerales de referencia en todas las figuras. También se
remite al lector a la lista de numerales adjunta.
La figura 1 muestra parámetros diferenciados en
una lámina de metal 1, la optimización de la cual se traduce en la
minimización de la pérdida de potencia en el refrigerador, así como
en la minimización de la diferencia de temperatura entre la
superficie de contacto térmico y el refrigerante que fluye en el
refrigerador, o en la maximización de la capacidad de
refrigeración. En la lámina de metal 1 que aún no está
soldada/soldada con soldadura fuerte, los canales se muestran como
rebajos 2. Los parámetros son la anchura de canal b, la profundidad
de canal t, el espacio de canal (anchura de red) s y el grosor de
lámina residual r. Además, la anchura f del área estructurada se
indica en la lámina de metal 1.
La figura 1a muestra una pila de una placa de
base estructurada 5 y de tres láminas de metal estructuradas 1
unidas. La placa de base 5 con un grosor g tiene rebajos formados en
ésta, junto con los respectivos rebajos formados en una lámina de
metal adyacente y forma canales 2' en una primera capa de canal
adyacente a la superficie de contacto térmico de la placa de base
5. Los canales 2' en la primera capa de canal tienen una profundidad
t'. Además se unen dos láminas de metal 1 a la pila de la placa de
base 5 y a la primera lámina de metal para formar otras capas de
canal con canales 2. Estos canales 2 tienen una profundidad t que es
inferior a la profundidad t' de la primera capa de
canal.
canal.
La figura 2 muestra un refrigerador 3 con un
procesador CPU 4 con contacto térmico. En este caso, el refrigerador
3 se compone de cuatro láminas de metal 1, cada una de las cuales
tiene, por ejemplo, cuatro canales de refrigeración 2. Las redes
situadas entre los canales no son visibles en el dibujo. Los canales
2 de cada lámina de metal 1 están cerrados en el extremo. Mirando
hacia el procesador CPU 4, los canales de refrigeración de la lámina
de metal 1' más baja están cerrados mediante una placa de base 5
con un grosor de placa de base g. La placa de base también va
provista de canales que se hacen coincidir con los canales de la
lámina de metal 1' adyacente, de modo que se forma una estructura
común de canales 2'.
La placa base 5 sirve para absorber el calor
generado por el procesador CPU 4 a través de una superficie de
contacto térmico 6. Para este propósito, el procesador CPU 4 entra
en contacto en el área de la superficie de contacto térmico 6 con
la placa de base 5 mediante un agente de unión con buena
conductividad térmica (como una pasta termoconductiva, soldadura o
cola conductiva) 7. El procesador CPU 4 se monta sobre una placa de
soporte CPU 8.
Una cámara de fragmentación 10 orientada
verticalmente atraviesa las láminas de metal 1 aproximadamente en
el centro de éstas. La cámara de fragmentación se ha configurado
para hacer de brecha que se extiende normalmente sobre el plano del
dibujo y cruza los canales 2. Además, dos cámaras colectoras 11
también atraviesan las láminas de metal aproximadamente en los
ángulos correctos. Los canales también se ensanchan en estas cámaras
colectoras.
La pila de las láminas de metal 1 y la placa de
base 5 se termina mediante una placa de cubierta 13 situada en la
parte superior. También se suministra un elemento de fragmentación
14 que puede configurarse como elemento diferenciado o separado en
la placa de cubierta 13. En el elemento de fragmentación hay también
una cámara de entrada 20, así como dos cámaras de salida 21. La
cámara de entrada comunica con la cámara de fragmentación 10 y las
cámaras colectoras 11 con las cámaras de salida. A partir de la
ilustración, es obvio que la cámara de entrada y las cámaras de
salida se estrechan en dirección a la cámara de fragmentación y
hacia las cámaras de salida, respectivamente, del modo conforme al
presente invento. En la placa de cubierta hay piezas de conexión, a
saber, un cuello de entrada 15 y un cuello de salida 16. El cuello
de entrada comunica con la cámara de entrada y el cuello de salida,
con la cámara de salida.
El refrigerante procedente de un circuito de
refrigeración externo entra en el refrigerador 3 a través del
cuello de entrada 15 y alcanza la cámara de entrada 20 a través del
cuello. Desde la cámara de entrada, el refrigerante se administra a
la cámara de fragmentación 10, desde donde fluye directamente a
todos los canales 2 y 2'. A partir de la ilustración puede verse
que el refrigerante que fluye hacia abajo hasta la cámara de
fragmentación alcanza directamente la placa de base 5, donde se
consigue un efecto refrigerante significativo. Después de pasar por
los canales, el refrigerante fluye hasta las cámaras colectoras 11,
desde donde se hace circular a través de las cámaras de salida 21
hasta el cuello de salida 16. Desde allí el refrigerante vuelve de
nuevo al circuito de refrigeración externo.
Las figuras 3a a 3d muestran una vista superior
esquemática de láminas de metal que contiene canales 2 y redes
interpuestas 9. Los canales están dispuestos en paralelo y están
situados dentro de un área denominada superficie de intercambio de
calor. Esta área está definida por el área que cubren los canales
2.
La cámara de fragmentación 10 sirve para
minimizar la pérdida de presión dentro de los canales
microestructurados y, a consecuencia de ello, el caudal requerido
del refrigerante, para reducir el tamaño del refrigerador y de todo
el sistema de refrigeración, incluso la bomba de refrigeración y los
tubos de líquido, y optimizarlos. Aproximadamente en el área de la
superficie de contacto térmico, las láminas de metal 1 se
interrumpen mediante la cámara de fragmentación ("diseño de canal
fragmentado").
En las figuras 3a a 3d, la cámara de
fragmentación 10 en un plano del refrigerador se muestra como una
brecha que cruza los canales 2 y las redes 9 entre los canales.
Todos los canales 2 comunican con la cámara de
fragmentación 10. Mientras que los canales 2 sólo parcialmente
rebajados de la lámina de metal 1 que muestra la figura 3a, de modo
que aún hay un grosor de lámina residual en las láminas de metal,
la brecha 10 constituye una ranura que se extiende a lo largo de la
lámina de metal 1. Al superponer varias láminas de metal de este
tipo, los canales 2 para la recepción del refrigerante se conforman
de tal modo que se extienden por los planos de la lámina de metal. A
diferencia de ello, la cámara de fragmentación formada por la
brecha se extiende por toda la región interna del refrigerador.
Además, las figuras 3a a 3d muestran que los
canales 2 se ensanchan en las cámaras colectoras 11 en sus extremos
exteriores. El refrigerante que sale de los canales 2 entra en las
cámaras colectoras, desde donde es evacuado por la cámara de salida
y el cuello de salida (figura 2). La cámara de salida está situada
sobre una de las cámaras colectoras. Este método de circulación del
refrigerante permite alcanzar una excelente capacidad de
refrigeración. En la figura 3a, la cámara de fragmentación 10 y las
cámaras colectoras 11 se encuentran completamente caladas. Además,
los canales 2 están situados directamente uno frente al otro.
Una variante del diseño del canal de
fragmentación del invento se ilustra en la figura 3b. La diferencia
respecto al diseño que se muestra en la figura 3a es que cada
segunda red 9 entre los canales 2 se extiende más allá de la de la
cámara de fragmentación 10 y las cámaras colectoras 11, de modo que
la cámara de fragmentación y las cámaras colectoras se interrumpen.
Esto aumenta la estabilidad mecánica del diseño y es especialmente
preferente cuando el grosor de las láminas de metal es reducido.
Para evacuar el refrigerante del refrigerador
pueden añadirse dos piezas de conexión (figura 2) a través de las
cuales se descarga el refrigerante. Después de pasar por los canales
2, el refrigerante fluye por las cámaras colectoras 11 del lado de
salida hasta la cámara de salida, desde donde sale del
refrigerador.
Otra variante de una lámina de metal 1 provista
de canales 2 y redes 9 que se extienden entre ellos se muestra en
la figura 3c. También en este caso, una cámara colectora 10 desde la
que se bifurcan los canales y las cámaras colectoras 11, dentro de
las cuales los canales se ensanchan y atraviesan prácticamente todo
el refrigerador, de forma que el refrigerante puede recircularse
desde la cámara de fragmentación hacia los canales y desde allí
volver a través de las cámaras colectoras.
La disposición de los canales 2 y las redes 9 en
la superficie de intercambio térmico difiere de la mostrada en la
figura 3a por el hecho de que los canales y las redes de las dos
áreas de canal separadas entre sí por la cámara de fragmentación 10
se encuentran relativamente compensadas. Debido a ello, el
comportamiento del flujo incidente mejora, lo cual se traduce en
una pérdida de presión reducida, de modo que la transferencia de
calor mejora aún más.
En otra variante más, todas las redes 9 entre
los canales 2 se extienden tanto a través de la cámara de
fragmentación 10 como a través de las cámaras colectoras 11, tal
como muestra la ilustración de la figura 3d. Esto diferencia esta
forma de realización de la mostrada en la figura 3b, donde sólo la
segunda de cada dos redes se extiende a través de la cámara de
fragmentación y las cámaras colectoras. Esta forma de realización es
aún más sólida que la mostrada en la figura 3b.
En la figura 4a, el refrigerador
microestructurado 3 del invento se muestra en una vista en
perspectiva. La superficie de contacto térmico para la conexión
térmica de una CPU se encuentra en la parte inferior y no es
visible en la figura. En la parte superior pueden verse el cuello de
entrada 15 y el cuello de salida 16.
En las figuras 4b a 4e se muestra una
ilustración detallada de un elemento de fragmentación y de un
elemento de recubrimiento. En varias ilustraciones, el elemento de
fragmentación y el elemento de recubrimiento no se muestran
gráficamente por separado.
La figura 4b es una ilustración en perspectiva
de este elemento de fragmentación y de recubrimiento 13 y 14. En el
elemento de recubrimiento son visibles los rebajos, que representan
la cámara de entrada 20 y la cámara de salida 21. La cámara de
entrada se extiende aproximadamente en la región central del
refrigerador, de modo que puede comunicar con la cámara de
fragmentación. La cámara de salida se configura en forma de U, cuyas
dos bifurcaciones se encuentran en las áreas laterales del
refrigerador 3, por lo que pueden comunicarse con las cámaras
colectoras que también se encuentran allí. La cámara de salida posee
dos puertos de salida que se extienden por toda la longitud del
canal en cada superficie lateral del refrigerador. Las cámaras
colectoras comunican a través de la configuración en forma de U de
la cámara de salida.
Las transiciones de la cámara de entrada 20 a la
cámara de fragmentación 10 y de la cámara de salida 21 a las
cámaras colectoras 11 están diseñadas de tal modo que se estrechan
en dirección a la cámara de fragmentación y a la cámara colectora,
respectivamente. En el caso actual, poseen forma cónica. Esto se
muestra en la figura 4c. Esta figura muestra una sección
transversal del elemento de fragmentación y de recubrimiento 13 y 14
a lo largo de una línea A-A, conforme a la figura
4d.
La cámara de entrada 20 posee una anchura
superior m que coincide preferentemente con la sección transversal
del cuello de entrada para el refrigerante (figura 5), 7 mm en el
caso actual. La cámara de entrada se estrecha en dirección a la
cámara de fragmentación a la anchura x, 3 mm en el caso actual. Las
cámaras de salida 21 también tienen puertos que se estrechan. Estos
puertos poseen una anchura superior n que coincide preferentemente
con la sección transversal del cuello de salida para el
refrigerante, 7 mm en el caso actual. Los puertos de las cámaras de
salida se estrechan en dirección a las cámaras colectoras a la
anchura y, 3 mm en el caso actual. Las áreas de la cámara de
entrada y de la cámara de salida que poseen paredes laterales
prácticamente verticales, tienen una altura h2, mientras que las
áreas en las que las cámaras mencionadas se estrechan, tienen una
altura h1.
Un elemento de fragmentación y recubrimiento 13
de este tipo puede emplearse en un refrigerador que tenga una
cámara de fragmentación con una anchura b_{10} de 0,7 mm y cámaras
colectoras con una anchura b_{11} de 1,5 mm. En tal caso, la
anchura de canal b puede ser de 3 mm.
La figura 4d muestra una vista superior del
elemento de fragmentación y recubrimiento 13 y 14. Aproximadamente
en el área central, la cámara de entrada 20 se muestra con el
estrechamiento cónico hacia la cámara de fragmentación 10. El
extremo izquierdo de la cámara de entrada se encuentra cubierto por
un solapamiento en el área del elemento de recubrimiento 13, y se
muestra mediante una línea de puntos sólo por este motivo. También
se muestra el área en forma de U de la cámara de salida 21, que
también es visible como un rebajo en el elemento de fragmentación y
recubrimiento. En las patas de la cámara de salida se ven los
estrechamientos cónicos hacia las cámaras colectoras 11.
La figura 4e muestra otra sección a través del
elemento de fragmentación y recubrimiento 13 y 14, en este caso, a
lo largo de la línea B-B de la figura 4d. En el área
derecha de la sección, se muestra la cámara de entrada 20, definida
mediante paredes verticales y que se estrecha hacia abajo, donde se
abre en la cámara de fragmentación (no se muestra). En la región
izquierda de la vista en sección se muestra la pieza de conexión de
la cámara de salida en forma de U 21.
La figura 5 muestra el elemento de fragmentación
y recubrimiento 13 y 14, así como una capa de canal que se une a
dicho elemento debajo y que se ilustra a cierta distancia del
elemento de fragmentación y recubrimiento, de nuevo en una vista de
sección. Los diversos elementos ya se han estudiado.
A partir de esta ilustración puede verse que la
cámara de entrada 20 se estrecha desde una anchura m correspondiente
a la sección transversal del cuello de entrada 15 hasta una anchura
x, que en realidad coincide con la anchura b_{10} de la cámara de
fragmentación 10. Asimismo, también a partir de esta figura puede
verse que las cámaras de salida 21 se estrechan desde una anchura n
correspondiente a la sección transversal del cuello de salida 16
hasta una anchura y, que en realidad coincide con la anchura
b_{11} de las cámaras colectoras 11.
Es preciso señalar aquí que la anchura x es por
lo menos igual a la anchura de brecha b_{10} de la cámara de
fragmentación 10. Preferentemente, la anchura x es ligeramente mayor
que la anchura b_{10} para no impedir que el refrigerante circule
por tolerancias de montaje cuando la cámara de entrada 20 y las
cámaras de fragmentación no se encuentren superpuestas con
exactitud.
Asimismo, la anchura y es por lo menos igual a
la anchura de brecha b_{11} de las cámara colectoras 11.
Preferentemente, la anchura y es ligeramente mayor que la anchura
b_{11} para no impedir que el refrigerante circule por
tolerancias de montaje cuando las cámara colectoras 11 y la cámara
de salida 21 no se encuentren superpuestas con exactitud.
Además de la cámara de fragmentación 10 y la
forma de la cámara de entrada 20 y de la cámara de salida 21, la
forma cónica de la entrada de canal en forma de embudo mostrada en
la figura 6 y realizada especialmente en un proceso de fabricación
contribuye a reducir la pérdida de presión.
Para ello, la figura 6 muestra la lámina de
metal 1 con canales 2 y redes interpuestas 9, así como con una
cámara de fragmentación 10 y con cámaras colectoras 11 ya ilustradas
en la figura 3a. Las flechas indican también la dirección del flujo
de refrigerante por los canales. Una vista detallada y ampliada de
la parte inferior de la ilustración muestra la forma de embudo de
la entrada de canal mediante una apertura de la entrada de canal.
Las regiones que se muestran en negro representan las redes 9 entre
los canales 2. En la parte inferior de esta vida detallada, la
cámara de fragmentación 10 es visible. En este caso, el refrigerante
entra en los canales por la parte inferior.
El estrechamiento del área de entrada en los
canales 2 en dirección al flujo de refrigerante (k > l = b)
reduce la resistencia al flujo cuando el refrigerante entra en el
microcanal. Esta restricción de los canales a la anchura media b se
extiende a los canales por una longitud E.
Esta forma de las entradas de canal puede
alcanzarse, por ejemplo, eligiendo especialmente las condiciones de
grabado para la estructuración. Los canales 2 pueden formarse, por
ejemplo, mediante grabado en un sistema comercial, por ejemplo,
Chemcut, de EE.UU. Para ello, las piezas en bruto de cobre
(dimensiones: 610 mm x 480 mm) están estructuradas con una solución
de cloruro de cobre (II) a una concentración de 3 mol/l a una
temperatura de 50ºC, una presión de rociado de 2 bares y una
velocidad de cinta transportadora de 0,6 m/min, con las partes que
no deben grabarse (redes, borde de la lámina de metal) cubiertas con
un producto resistente al grabado durante la realización del
grabado.
La forma de la entrada a los canales se
establece preferentemente de forma que la proporción k / I oscile
entre 1,1 y 3, más preferentemente entre 1,2 y 1,8. La longitud E
del área de entrada oscila preferentemente entre 100 y 2.000
\mum, más preferentemente entre 200 y 400 \mum. En este contexto
se remite al lector a la ilustración esquemática de la figura
6.
La figura 7 muestra un esquema ilustrativo de la
conexión entre el refrigerador 3 y la CPU 4, así como una capa de
cola conductiva 7 interpuesta con los parámetros relevantes
necesarios para definir la resistencia térmica.
Así pues, T_{entrada} y T_{salida} se
refieren a la temperatura del refrigerante que fluye dentro y fuera
del refrigerador, respectivamente, T_{m} a la temperatura media
del refrigerante en el refrigerador, T_{cs} a la temperatura
superficial de la superficie de contacto térmico del refrigerador,
T_{cpu} a la temperatura superficial de la CPU y "potencia"
a la potencia que alimenta la CPU.
Para probar el rendimiento del refrigerador del
invento respecto a los refrigeradores convencionales, deben
realizarse las pruebas siguientes.
\vskip1.000000\baselineskip
Para optimizar el rendimiento del refrigerador
del invento, la anchura de canal, la profundidad de canal, el
espacio de canal, el grosor de lámina residual y el grosor de placa
de base pueden designarse según la aplicación específica, más
concretamente, en lo que se refiere a la proporción de la capacidad
de refrigeración respecto al volumen del refrigerador
microestructurado, y optimizarse para una CPU de referencia con un
área de base de 12,0 x 12,0 mm y 200 W de salida de potencia, por
ejemplo. En el presente documento pueden definirse diversas cifras
clave que describen la capacidad de refrigeración de un
refrigerador.
En la tabla 1 se indican importantes factores de
influencia.
\vskip1.000000\baselineskip
Las características del refrigerador son las
representadas para el ejemplo de WO 04/032231 A.
Para la comparación se han empleado
refrigeradores convencionales (ArdexP (Ardex®: marca registrada de
Atotech Deutschland), confeccionados como el refrigerador del
invento mediante hojas de cobre microestructurado con canales
dispuestos en paralelo que contienen varias capas de canal y
optimizados respecto a los parámetros anchura de canal b,
profundidad de canal t, espacio de canal s, grosor de lámina
residual r y grosor de la placa base g.
Los datos de potencia se resumen en la tabla 2,
que muestra un ejemplo comparando el refrigerador ArdexP y un
refrigerador microestructurado del invento:
\vskip1.000000\baselineskip
Las pruebas comparativas se realizaron en plena
carga bajo condiciones idénticas para refrigerar la CPU de
referencia descrita en la tabla 1. Las condiciones se exponen en la
tabla 3.
\vskip1.000000\baselineskip
El refrigerador se confeccionó a partir de una
placa de base estructurada (grosor: 0,3 mm) y ocho láminas
estructuradas (grosor: 0,2 mm).
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Las cifras clave muestran claramente que el
refrigerador del invento ofrece ventajas considerables en todos los
campos.
Una reducción de la resistencia térmica de
alrededor el 37,5% se traduce en una disipación del calor claramente
mejorada y en una eficiencia mejorada del refrigerador. Esta
propiedad es particularmente relevante si el equipo tiene una CPU
de alto rendimiento o es un ordenador central con muchas CPU, puesto
que deben refrigerarse salidas térmicas de varios kW.
La reducción de la diferencia de temperatura
alrededor de 6ºC se traduce directamente en un ahorro de energía en
un sistema de refrigeración y, como consecuencia, en un ahorro de
los costes operativos. La temperatura de entrada del agua de
refrigeración, por ejemplo, puede aumentar mediante este valor,
influyendo extraordinariamente en la eficiencia del sistema de
refrigeración.
La capacidad de refrigeración, basada en el
volumen, \DeltaT y caudal, es mayor en un factor de 10,9 respecto
a los refrigeradores convencionales y demuestra que con estos
refrigeradores pueden obtenerse densidades de embalaje
considerablemente superiores (cantidad de CPU/unidad de
volumen).
La figura 8 muestra la resistencia térmica
R_{th\_c} del refrigerador del invento y del refrigerador
comparado (ArdexP) como una función del caudal prefijado. A partir
de la figura 8 puede verse que bajo las condiciones límite
prefijadas (véase también la tabla 2) el refrigerador del invento
tiene una resistencia térmica considerablemente reducida en toda el
área de circulación. A un caudal de 1,2 litros/min, la resistencia
térmica puede reducirse un 37,5%.
La figura 9 muestra la resistencia térmica
R_{th\_c} del refrigerador del invento y del refrigerador
comparado (ArdexP) como una función de la pérdida de presión
indicada. Se descubre que también aquí la resistencia térmica
mejora en todo el margen respecto al refrigerador comparado.
En función del concepto del sistema de
refrigeración y conforme a las propiedades de bombeo
correspondientes, la resistencia térmica puede caracterizarse
mediante la figura 8 (el caudal es prefijado) o mediante la figura
9 (la pérdida de presión está prefijada).
Es evidente que el refrigerador del invento
posee los mejores valores para la resistencia térmica a una pérdida
de presión determinada dentro del refrigerador.
A una perdida de presión tolerada de, por
ejemplo, 130 mbares, la resistencia térmica del refrigerador del
invento es menor que 0,050 K/W, mientras que la pérdida de presión
con un refrigerador con el estado anterior de la técnica es poco
menos de 0,08 K/W.
Se entiende que los ejemplos y realizaciones
descritas en el presente documento tienen un propósito meramente
ilustrativo y que las diversas modificaciones y cambios, así como la
combinación de características descritas en esta aplicación se
recomiendan a personas expertas en el tema y deberán incluirse en el
ámbito de las reivindicaciones adjuntas.
- 1
- lámina de metal
- 2 y 2'
- canal
- 3
- refrigerador microestructurado
- 4
- procesador CPU
- 5
- placa de base
- 6
- superficie de contacto térmico
- 7
- TIM2 (Material de Interfaz Térmica)
- 8
- placa de soporte CPU
- 9
- red
- 10
- cámara de fragmentación
- 11
- cámara colectora
- 12
- borde de la lámina de metal 1
- 13
- placa de cubierta
- 14
- elemento de fragmentación
- 15
- cuello de entrada
- 16
- cuello de salida
- 17
- conector rápido
- 20
- cámara de entrada
- 21
- cámara de salida
- b
- anchura de canal
- b_{10}
- anchura de brecha de la cámara de fragmentación 10
- b_{11}
- anchura de brecha de la cámara colectora 11
- t y t'
- profundidad de canal
- s
- espacio de canal (anchura de red)
- r
- grosor de lámina residual
- f
- anchura de la región estructurada de la lámina de metal 1
- g
- grosor de la placa de base
- x
- anchura mínima de la cámara de entrada 20
- m
- anchura máxima de la cámara de entrada 20
- y
- anchura mínima de la cámara de fragmentación de salida 21
- n
- anchura máxima de la cámara de fragmentación de salida 21
- k
- anchura de embudo en el puerto de entrada de canal
- l
- anchura de embudo en el área de las paredes de canal paralelas
- E
- profundidad de la entrada de canal en forma de embudo.
Claims (33)
1. Un refrigerador microestructurado (3) para
refrigerar un elemento (4) que comprende: a. una pila de al menos
dos láminas de metal (1); dichas láminas contienen canales (2) para
refrigerante, y una placa de base (5) adaptada para entrar en
contacto térmico con dicho elemento (4) mediante una superficie de
contacto térmico (6); de forma que dichas láminas de metal (1) y
dicha placa de base (5) se unen como si formaran una sola pieza de
material y dichos canales (2) tienen una anchura b que oscila entre
100 y 350 \mum, una profundidad que oscila entre 30 y 150 \mum,
un espacio medio s que oscila entre 30 y 300 \mum, un grosor de
lámina residual r restante tras la formación de dichos canales (2)
en las mencionadas láminas de metal (1) que oscila entre 30 y 300
\mum y que dicha placa de base (5) posee un grosor g que oscila
entre 100 y 1.000 \mum, b. por lo menos una cámara de
fragmentación (10) que atraviesa dichas láminas de metal (1) en el
área de la mencionada superficie de contacto térmico (6) y que
dicha cámara comunica con su respectivo lado de entrada con todos o
con algunos canales (2) seleccionados mediante puertos de entrada de
canal, c. por lo menos una cámara de entrada (20) para la admisión
de refrigerante en dicho refrigerador (3), y que la mencionada
cámara comunica con por lo menos una cámara de fragmentación
mencionada (10), d. por lo menos una cámara colectora (11)
atraviesa las láminas de metal (1) y comunica con el extremo
respectivo del lado de la salida de todos o de algunos canales (2)
seleccionados a través de puertos de salida de canal, y e. por lo
menos una cámara de salida (21) para evacuar el refrigerante de
dicho refrigerador (3), y que dicha cámara comunica con por lo
menos una cámara colectora mencionada (11), caracterizada por
el hecho de que el área transversal de los canales (2) en una capa
de canal adyacente a dicha placa de base (5) es superior al área
transversal de los canales (2) en una capa de canal situada en la
pila del lado opuesto a dicha placa de base (5).
2. El refrigerador conforme a la reivindicación
1 caracterizado porque la profundidad de los canales (2) en
una capa de canal adyacente de dicha placa de base (5) es superior a
la profundidad de los canales (2) en una capa de canal situada en
la pila del lado opuesto de dicha placa de base (5).
3. El refrigerador, conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque una primera lámina de metal (1') adyacente a la placa de base
(5) y la propia placa de base (5) están provistas de canales (2') y
unidas de tal forma que las superficies de la primera lámina de
metal (1') y de la placa de base (5) mencionadas que comprenden los
canales están encaradas y que los mencionados canales (2') de dicha
primera lámina de metal (1') y de dicha placa de base (5)
coinciden.
4. El refrigerador, conforme a lo expuesto en la
reivindicación 3, caracterizado porque la profundidad t de
los canales formados al unir la primera lámina de metal (1') y la
placa de base (5) oscila entre 100 y 250 \mum.
5. El refrigerador, conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque por lo menos una cámara de entrada (20) se estrecha en
dirección a por lo menos una cámara de fragmentación (10) y por lo
menos una cámara de salida (21) se estrecha en dirección a por lo
menos una cámara colectora (11).
6. El refrigerador, conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque por lo menos una cámara de entrada (20) se estrecha a una
anchura del lado de salida x; que por lo menos una cámara de
fragmentación (10) tiene una anchura b_{10} y que x \geq
b_{10}.
7. El refrigerador, conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque por lo menos una cámara de salida (21) se estrecha a una
anchura del lado de entrada y; que por lo menos una cámara
colectora (11) tiene una anchura b_{11} y que y \geq
b_{11}.
8. El refrigerador, conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicho refrigerador tiene también por lo menos un cuello de
entrada (15) para admitir refrigerante en el refrigerador (3), que
por lo menos una cámara de entrada (20) tiene una anchura del lado
de entrada m, y que m es la más similar a la anchura de la sección
transversal de por lo menos un cuello de entrada (15).
9. El refrigerador, conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicho refrigerador tiene también por lo menos un cuello de
salida (16) para evacuar refrigerante del refrigerador (3), que por
lo menos una cámara de salida (21) tiene una anchura del lado de
salida n, y que n no excede a la anchura de la sección transversal
de por lo menos un cuello de salida (16).
10. El refrigerador, conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque por lo menos una cámara de fragmentación (10) está
configurada a modo de brecha que atraviesa las láminas de metal (1)
y con una anchura b_{10}.
11. El refrigerador, conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque por lo menos una cámara colectora (11) está configurada a
modo de brecha que atraviesa las láminas de metal (1) y con una
anchura b_{11}.
12. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque en el área final respectiva situada en el lado de entrada y
que se extiende por una longitud E, los canales (2) se amplían
hacia por lo menos una cámara de fragmentación (10).
\global\parskip0.900000\baselineskip
13. El refrigerador conforme a lo expuesto en la
reivindicación 12, caracterizado porque la proporción del
espacio k entre los puertos de entrada de canal respecto a la
anchura de canal b oscila entre 1,1 y 3.
14. El refrigerador conforme a lo expuesto en
las reivindicaciones 12 y 13, caracterizado porque la
proporción del espacio k entre los puertos de entrada de canal
respecto a la anchura de canal b oscila entre 1,2 y 1,8.
15. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones de 12 a 14, caracterizado
porque la longitud E oscila entre 100 y 2.000 \mum.
16. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones de 12 a 15, caracterizado
porque la longitud E oscila entre 200 y 400 \mum.
17. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque la anchura de canal b, la profundidad de canal t, el espacio
de canal s, el grosor de lámina residual r y el grosor de placa de
base g se optimizan de tal modo que una resistencia térmica
R_{th\_c} de la placa de base (5) del refrigerador (3) es
inferior o igual a 0,05 K/W con una pérdida de presión de 130
mbares.
18. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque la anchura de canal b, la profundidad de canal t, el espacio
de canal s, el grosor de lámina residual r y el grosor de placa de
base g se optimizan de tal modo que una resistencia térmica
R_{th\_c} de la placa de base se minimiza a una pérdida de
presión determinada.
19. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque la anchura de canal b, la profundidad de canal t, el espacio
de canal s, el grosor de lámina residual r y el grosor de placa de
base g se fijan de tal modo que se alcanza una proporción de la
capacidad de refrigeración del refrigerador (3) respecto al volumen
del refrigerador (3) de por lo menos 10 W/cm^{3}.
20. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque la anchura de canal b, la profundidad de canal t, el espacio
de canal s, el grosor de lámina residual r y el grosor de placa de
base g se fijan de tal modo que se alcanza capacidad de
refrigeración por volumen del refrigerador (3) y una diferencia
\DeltaT entre una temperatura media del refrigerante en el
refrigerador (3) y la temperatura de la superficie de contacto
térmico (6) de por lo menos 1 W/(cm^{3} K).
21. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque la anchura de canal b, la profundidad de canal t, el espacio
de canal s, el grosor de lámina residual r y el grosor de placa de
base g se ajustan de tal modo que se alcanza una capacidad de
refrigeración específica con pérdida de presión estándar de por lo
menos 0,1 W/(cm^{3}\cdotK\cdotl/min).
22. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque la anchura de canal b, la profundidad de canal t, el espacio
de canal s, el grosor de lámina residual r y el grosor de placa de
base g se ajustan de tal modo que se alcanza una capacidad de
transferencia de calor de 200 vatios/cm^{2} con una diferencia
entre las temperaturas de la superficie de contacto térmico (6) y
el refrigerante que fluye en el refrigerador (3), sin exceder los 10
K, con un caudal para el refrigerante que pasa por el refrigerador
(3) de 1,2 l/min y con una pérdida de presión que no excede los 150
mbares.
23. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque una proporción de la anchura de canal b respecto al espacio s
de los canales (2) oscila entre 1,5:1 y 2,5:1.
24. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque una proporción de la anchura de canal b respecto al grosor de
lámina residual r oscila entre 2:1 y 5:1.
25. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque la anchura b de los canales (2) oscila entre 200 y 300
\mum.
26. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque la profundidad t de los canales (2) oscila entre 50 y 120
\mum.
27. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque el espacio medio s entre los canales (2) oscila entre 150 y
300 \mum.
28. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque el grosor de lámina residual r oscila entre 50 y 120
\mum.
29. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque el grosor g de la placa de base (5) oscila entre 300 y 500
\mum.
30. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque los canales (2) de las láminas de metal (1) forman una
superficie de intercambio de calor mayor que la superficie de
contacto térmico (6).
\global\parskip1.000000\baselineskip
31. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque los canales (2) de las láminas de metal (1) discurren
prácticamente paralelos entre sí.
32. El refrigerador conforme a lo expuesto en
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque en el lado de la placa de base (5) y encarada hacia el
elemento (4) que debe refrigerarse está provisto de un drenaje para
una capa intermedia termoconductiva (7) interpuesta entre el
refrigerador (3) y el elemento (4) que debe refrigerarse.
33. Uso del refrigerador microestructurado (3)
conforme a lo expuesto en cualquiera de las reivindicaciones
anteriores para la refrigeración de componentes electrónicos
(4).
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