ES2241948T3 - Dispositivo de refrigeracion para una unidad electrica o electronica. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de refrigeración para una unidad eléctrica y/o electrónica (5), con un cuerpo de base conductor del calor (3), que presenta dos caras frontales y una superficie de carcasa (7) y que es adecuado para ponerse en contacto con la unidad a refrigerar (5) mediante una cara frontal, con un cuerpo de perfil refrigerante (9), existiendo una cámara hermética al gas parcialmente evacuada (11) entre la superficie de carcasa del cuerpo de base (3) y el cuerpo de perfil refrigerante (9), y con un velo de fibras (19) impregnado en un líquido y fijado a la superficie de carcasa (7) del cuerpo de base (3), de forma que, durante el funcionamiento, el líquido contenido en el velo de fibras (19) se evapore en la cámara (11), se condense en la pared frente a la cámara (11) del cuerpo de perfil refrigerante (9) y se vuelva a conducir al velo de fibras (19), caracterizado por el hecho de que el cuerpo de perfil refrigerante (9, 109) está básicamente conformado como un tubo, presentando su pared una sección en zigzag u ondulada, y por el hecho de que el cuerpo de perfil refrigerante (9) está revestido por un elemento de envoltura (15) de modo que se conforman varios conductos de aire de tipo chimenea (17) entre el cuerpo de perfil refrigerante (9) y el elemento de envoltura (15).

Description

Dispositivo de refrigeración para una unidad eléctrica o electrónica.

La invención se refiere a un dispositivo de refrigeración para unidades eléctricas y/o electrónicas, principalmente para aquellas con alto rendimiento térmico.

Los dispositivos de refrigeración para aparatos eléctricos o electrónicos son cada vez más necesarios en los aparatos modernos de alta tecnología. Particularmente, los desarrollos en el sector de los ordenadores crean procesadores cada vez más potentes que, debido a su enorme generación de calor, necesitan una considerable refrigeración. Casi siempre se adopta la refrigeración por ventiladores activos, que lleva a la generación de ruidos no deseados, y la avería de un ventilador puede provocar un rápido calentamiento de la unidad a refrigerar y su destrucción. Asimismo, las unidades eléctricas/electrónicas sensibles en estos sistemas de refrigeración están expuestas a influencias externas como el polvo, la humedad, etc., como consecuencia de las aperturas necesarias de admisión de aire en la carcasa.

Para evitar estos inconvenientes se propuso desviar el calor generado por las unidades eléctricas/electrónicas directamente a través de una conducción de calor por medio de disipadores térmicos metálicos conectados con un cuerpo de perfil refrigerante en la pared exterior de la carcasa. El inconveniente de esta propuesta es que el calor no se transmite particularmente bien a través de recorridos largos y, por tanto, no se puede garantizar una desviación segura del calor, especialmente para altas energías disipadas, de modo que sigue existiendo también el peligro de sobrecalentamiento.

En la patente DE 199 44 550 A1 se siguió proponiendo la utilización de tubos isotérmicos para la evacuación del calor generado por los aparatos eléctricos/electrónicos a un cuerpo de perfil refrigerante en la pared exterior de la carcasa. Aquí también existe el inconveniente, especialmente para los procesadores de desarrollo más reciente con un enorme rendimiento térmico, de que la refrigeración ya no sea suficiente para garantizar una evacuación segura del calor. Además, se utilizan diversas piezas individuales (tubos isotérmicos, cuerpos de perfil refrigerante) que son relativamente caros y necesitan mucho espacio, ya que la configuración del sistema de refrigeración se ha de organizar nuevamente cada vez según el tipo y la posición de la unidad a refrigerar. Por último, el cuerpo de perfil refrigerante en la pared exterior de la carcasa esta colocado de forma que, para conseguir una impresión general estética de la carcasa, se ha de consumir una gran cantidad de energía adicional.

A partir de la patente GB-A-2 342 152, que representa la próxima fase de desarrollo de la técnica, se ha dado a conocer un tubo isotérmico con forma de placas para la refrigeración de placas de semiconductores planas compuesto de un depósito oblongo que comprende un cuerpo de base en su interior unido directamente a las paredes interiores longitudinales del depósito. La pared interior superior del depósito está revestida de una estructura capilar con forma de mecha que sirve para la admisión del líquido que se evapora durante el servicio en el interior del depósito y lo retorna al cuerpo de base. Mediante la evaporación del líquido y a través de la conducción de calor se transporta el calor desde el cuerpo de base hacia la superficie principal superior del depósito que no entra en contacto con el elemento a refrigerar y se evacua allí mediante un perfil refrigerante.

La patente EP 0 348 838 A2 describe también un tubo isotérmico especial para componentes electrónicos montados en placas de circuitos, que presenta un depósito cilíndrico cerrado con funda flexible realizada con forma de fuelle. El cuerpo de perfil refrigerante está durante el funcionamiento en contacto directo con la cara frontal exterior del cuerpo de base que no está en contacto con el elemento a refrigerar.

Por consiguiente, es un objetivo de la presente invención, proporcionar un dispositivo de refrigeración integrado para una unidad eléctrica y/o electrónica, con el que se pueda realizar una refrigeración fiable de los componentes con alta generación de calor, que se pueda ajustar de forma flexible a cualquier forma del objeto a refrigerar así como a las demás condiciones geométricas preliminares, cuya fabricación sea económica, que se pueda suministrar como un componente y que ofrezca espacio libre para la disposición estética de la pared exterior de la carcasa que comprende los componentes eléctricos/electrónicos.

Este objetivo se consigue mediante las características de la reivindicación 1 y mediante las características de la reivindicación 2.

Según la presente invención, se propone un dispositivo de refrigeración para una unidad eléctrica y/o electrónica con un cuerpo de base conductor del calor que presente dos caras frontales y una superficie de carcasa y que sea adecuado para poner en contacto con la unidad a refrigerar mediante una cara frontal, con un cuerpo de perfil refrigerante, existiendo una cámara hermética al gas parcialmente evacuada entre la superficie de carcasa del cuerpo de base y el cuerpo de perfil refrigerante, y con un velo de fibras impregnado en un líquido y colocado en la superficie de carcasa del cuerpo de base, de forma que, durante el funcionamiento, el líquido contenido en el velo de fibras se evapore en la cámara, se condense en la pared frente a la cámara del cuerpo de perfil refrigerante y se vuelva a conducir al velo de fibras. Para ello se ha de envolver el cuerpo de perfil refrigerante con un elemento de envoltura de modo que se conformen varios conductos de aire de tipo chimenea entre el cuerpo de perfil refrigerante y el elemento de envoltura. El cuerpo de perfil refrigerante está conformado de forma general como tubo y su superficie presenta una sección en zigzag u ondulada.

El mismo concepto conforme a la presente invención ofrece un dispositivo de refrigeración con un cuerpo de base conductor del calor, conformado como cuerpo hueco, que presenta una superficie de pared interior y una superficie de pared exterior, y que es adecuado para poner en contacto con la unidad a refrigerar mediante la superficie de pared exterior, con un cuerpo de perfil refrigerante que se encuentre en el cuerpo de base de modo que esté rodeado al menos parcialmente por la superficie de pared interior del cuerpo de base, existiendo una cámara hermética al gas parcialmente evacuada entre el cuerpo de base y el cuerpo de perfil refrigerante, y con un velo de fibras impregnado en un líquido y colocado en la superficie de pared interior del cuerpo de base, de forma que, durante el funcionamiento, el líquido contenido en el velo de fibras se evapore en la cámara, se condense en la pared frente a la cámara del cuerpo de perfil refrigerante y se vuelva a conducir al velo de fibras.

Con un dispositivo de refrigeración del tipo conforme a la presente invención se pueden desde ahora evacuar enormes cantidades de calor en la refrigeración de unidades eléctricas/electrónicas modernas, como, por ejemplo, procesadores, pudiéndose a su vez mantener el factor de costes a un nivel muy bajo y liberando las paredes exteriores de la carcasa que comprende las unidades eléctricas/electrónicas de elementos del dispositivo de refrigeración. El sistema es también configurable de forma flexible y no necesita mantenimiento.

Mediante los conductos de aire de tipo chimenea se mejora drásticamente la evacuación del calor cedido por el cuerpo de perfil refrigerante al aire del entorno, ya que el aire caliente sube hacia arriba en los conductos de aire y el aire frío fluye simultáneamente hacia abajo, de forma que se produce una corriente de aire en regla.

Para aumentar aún más el rendimiento de evacuación del calor, el cuerpo de perfil refrigerante tiene básicamente forma de tubo, presentando su superficie una sección con forma en zigzag u ondulada.

El dispositivo de refrigeración conforme a la presente invención presenta preferentemente piezas preformadas de material sintético entre el cuerpo de perfil refrigerante y el cuerpo de base que hermetizan a prueba de gas hacia arriba y abajo la cámara parcialmente evacuada. Si se utiliza adicionalmente un líquido no conductor para la transferencia del calor, también se podrá unir el dispositivo de refrigeración conforme a la presente invención directamente con componentes conductores de alta tensión, como transistores de conmutación, tiristores, etc.

En la siguiente descripción se detallan más particularidades, ventajas y características de la presente invención con referencia a los dibujos adjuntos.

Éstos muestran:

Fig. 1 un plano horizontal de una primera forma de ejecución del dispositivo de refrigeración conforme a la presente invención;

Fig. 2 una sección transversal conforme a A-A del dispositivo de refrigeración de la ilust. 1;

Fig. 3 un plano horizontal de una segunda forma de ejecución preferente del dispositivo de refrigeración conforme a la presente invención; y

Fig. 4 una sección conforme a B-B del dispositivo de refrigeración de la figura 3.

Las figuras 1 y 2 muestran una primera forma de ejecución preferente de la presente invención. El dispositivo de refrigeración presenta un cuerpo de base 3, con el que está en contacto la unidad eléctrica/electrónica 5 a refrigerar. Ello puede realizarse, bien directamente, o bien mediante un puente conductor del calor adicional (no mostrado). El cuerpo de base 3 en este ejemplo está conformado como cilindro sólido de un material fuertemente conductor del calor, como aluminio o cobre, y debería presentar en el punto de transferencia al menos la misma base que la fuente de calor 5. Asimismo, también se puede conformar el cuerpo de base 3 como elemento macizo con sección ovalada o poligonal, o también como cuerpo hueco con casi cualquier forma de pared. En cualquiera de los casos, el cuerpo de base 3 presenta una superficie de carcasa 7 que lo rodea exteriormente por completo.

A cierta distancia en torno a la superficie de carcasa 7 del cuerpo de base 3 hay dispuesto un cuerpo de perfil refrigerante 9, también conformado como tubo, estando deformada su pared con vistas a la expansión superficial, en el presente ejemplo mediante curvaturas onduladas. No obstante, también se tienen en cuenta las formas de perfil en zigzag y todas las demás que ofrezcan una superficie suficiente para la refrigeración. El cuerpo de perfil refrigerante 9 se dispondrá idealmente de forma que alcance una superficie máxima y está compuesto por un material con buenas propiedades conductoras del calor, como, por ejemplo, el aluminio o el cobre.

Entre el cuerpo de perfil refrigerante 9 y el cuerpo de base 3 se encuentra una cámara 11, que está parcialmente evacuada hasta un grado determinado mediante las bombas de vacío empleadas para tal fin. En la zona superior o inferior, esta cámara 11 se hermetiza a prueba de gas mediante piezas preformadas 13 fijadas entre el cuerpo de base 3 y el cuerpo de perfil refrigerante 9. Estas piezas preformadas 13 se componen preferentemente de un material sintético duro y se unen con el cuerpo de perfil refrigerante 9 y el cuerpo de base 3, por ejemplo, mediante adhesión a prueba de gas, de modo que el vacío parcial se pueda mantener también durante un mayor tiempo. De forma adicional, pueden realizarse otras medidas de hermetización conocidas por un especialista. Las piezas preformadas 13 pueden naturalmente estar compuestas de cualquier otro material adecuado, como, por ejemplo, metal; la utilización de material sintético duro hace posible no obstante que el dispositivo de refrigeración pueda utilizarse también para la refrigeración de componentes conductores de alta tensión 5 sin tener que aplicar otras medidas. Las piezas preformadas han de elaborarse de manera muy precisa y presentan en la zona exterior la misma forma que la pared del cuerpo de perfil refrigerante 9, y en la zona exterior la forma del cuerpo de base 3. Con esto, en el presente ejemplo se origina un tipo de flor con escotadura intermedia en forma de círculo. El vacío parcial se genera mediante una válvula adecuada y debe ser tan alto como sea posible, ya que con un mayor vacío, el punto de ebullición de los líquidos es menor. Preferentemente, el vacío parcial debe perdurar durante todo el tiempo de vida de la unidad eléctrica/electrónica 5, no obstante también es concebible repetir el proceso de evacuación en intervalos de tiempo determinados.

Sobre el cuerpo de perfil refrigerante 9 hay colocado un elemento de envoltura 15 con forma de tubo que rodea al cuerpo de perfil refrigerante 9 y que está situado muy próximo a sus curvaturas de pared externas. Este elemento de envoltura con forma de tubo 15 puede estar compuesto de casi cualquier material, aunque ha de estar conformado preferentemente como tubo flexible colocado en sentido inverso sobre el cuerpo de perfil refrigerante 9. De este modo se forman conductos de aire de tipo chimenea 17 entre cada dos curvaturas respectivas del cuerpo de perfil refrigerante 9 y el elemento de envoltura 15, que presentan una apertura arriba y abajo respectivamente que se encuentran preferentemente fuera de una carcasa (no mostrada) que comprende las unidades eléctricas/electrónicas 5. La longitud de los conductos de aire de tipo chimenea 17 y de su continuación puede configurarse prácticamente de cualquier forma y depende principalmente de la geometría de la carcasa, desde la que se ha de transportar el calor hacia fuera.

El efecto refrigerante en sí lo proporciona un líquido que se introduce en la cámara parcialmente evacuada 11 entre el cuerpo de base 3 y el cuerpo de perfil refrigerante 9. Éste se encuentra en un principio en un velo de fibras 19, que se introduce en la superficie de carcasa 7 del cuerpo de base 3 mediante adhesión. En caso de una refrigeración de componentes conductores de alta tensión 5 se utiliza un líquido no conductor, preferentemente agua destilada o alcohol; no obstante, puede emplearse cualquier otro líquido que sea adecuado para el transporte del
calor.

Por último, hay una gasa 21 dispuesta directamente en las curvaturas interiores del cuerpo de perfil refrigerante 9, dentro de la cámara parcialmente evacuada 11, que sirve para la evacuación del líquido condensado. En posición inclinada del sistema de refrigeración, sirve de forma especial para transportar el líquido condensado de nuevo hacia la zona inferior del dispositivo de refrigeración, y de esta forma al velo de fibras. Aquí se puede emplear, por ejemplo, una gasa metálica, pero también muchas otras clases de materiales. Asimismo, la superficie delante de la cámara parcialmente evacuada 11 del cuerpo de perfil refrigerante 9 puede cubrirse con una capa de velo de fibras (no mostrada) que, debido a su acción capilar, se encargue de la evacuación del vapor de agua condensado.

Las figuras 3 y 4 muestran una segunda forma de ejecución preferente del dispositivo de refrigeración conforme a la presente invención. Respecto a los materiales y la configuración espacial de los componentes, es de aplicación lo mismo que para la forma de ejecución descrita bajo consideración de las figuras 1 y 2 siempre que no se indique algo distinto de forma expresa. La forma de ejecución aquí descrita está basada en el mismo concepto inventivo. De nuevo, se unirá un cuerpo de base 103 con una unidad eléctrica/electrónica 105. El cuerpo de base está 103 está conformado como cuerpo hueco, preferentemente como cilindro hueco. El velo de fibras 119 está colocado en una superficie de pared interior 106 del cuerpo de base 103. El cuerpo de perfil refrigerante 109 tiene un pequeño diámetro exterior y se encuentra en el interior del cuerpo de base 103, de modo que está al menos parcialmente rodeado por la superficie de pared interior 106 del cuerpo de base 103.

Entre el cuerpo de base 103 y el cuerpo de perfil refrigerante 109 se crea una cámara parcialmente evacuada 111 como en el primer ejemplo de ejecución, pero las piezas preformadas 113, necesarias para la hermetización a prueba de gas, que unen el cuerpo de base 103 con el cuerpo de perfil refrigerante 109 están adaptadas en su borde exterior a la forma del cuerpo de base 103 y en el borde inferior a la forma del cuerpo de perfil refrigerante 109.

Un elemento interno en forma de tubo 116 está introducido en el cuerpo de perfil refrigerante 109 y está tan próximo a sus curvaturas orientadas hacia dentro que se forman conductos de aire de tipo chimenea 117 entre cada dos curvaturas internas del cuerpo de perfil refrigerante 109 y el elemento interno en forma de tubo 116. El elemento interno en forma de tubo 116 está compuesto de un material que presenta una rigidez suficiente para permanecer introducido en el interior del cuerpo de perfil refrigerante 109. De nuevo, hay una gasa 121 dentro de la cámara parcialmente evacuada 111 muy cerca del cuerpo de perfil refrigerante
109.

A continuación se explicará el proceso de refrigeración conforme a la presente invención. En un primer momento se calienta el elemento generador de calor 5 ó 105 y transmite el calor por convección al cuerpo de base 3 ó 103. Éste se calienta así, y el líquido contenido en el velo de fibras 19 ó 119 se evapora ya en la cámara parcialmente evacuada 11 ó 111, incluso a temperaturas relativamente bajas, ya que como consecuencia del vacío disminuye la temperatura de ebullición. El vapor del líquido se difunde a través de la gasa 21 ó 121 y se condensa en la pared asignada en la cámara parcialmente evacuada 11 ó 111 del cuerpo de perfil refrigerante 9 ó 109, cediéndole calor a éste. El líquido condensado refrigerado es conducido de nuevo hacia abajo en el cuerpo de perfil refrigerante 9 ó 109 y se lleva otra vez hacia el velo de fibras 19 ó 119. Ello puede realizarse por vía directa o con la utilización de estructuras capilares adecuadas, como por ejemplo, un segundo velo de fibras. La gasa 21 ó 121 impide que, en posición inclinada, caigan gotas del líquido condensado directamente en la cámara parcialmente evacuada 11 ó 111. Este mecanismo de transferencia de calor mediante líquido evaporado es extremadamente eficaz y proporciona una gran transmisión térmica incluso sin generar altas temperaturas en el sistema.

El cuerpo de perfil refrigerante se calienta mediante el calor cedido en la condensación del vapor y vuelve a transmitir su calor al aire del entorno. Este aire se calienta y sube hacia arriba por los conductos de aire de tipo chimenea 17 ó 117, mientras que desde abajo fluye aire frío por éstos, de modo que se produce una fuerte acción de aspiración.

Finalmente, también es concebible utilizar varios de estos dispositivos de refrigeración en serie para aumentar aún más la evacuación del calor.

Se puede lograr una acción refrigerante aún mejor si se coloca el velo de fibras directamente (sin interconexión de un cuerpo de base) sobre el cuerpo a refrigerar, ya que de este modo la conducción de calor entre el cuerpo a refrigerar y el cuerpo de base se eliminaría como factor limitador para la evacuación del calor. Para ello, el cuerpo a refrigerar ha de presentar una geometría adecuada.

De este modo se consigue un dispositivo de refrigeración también aplicable en sistemas herméticos al aire, al polvo y al agua, que puede incluso evacuar de forma más segura energías disipadas de más de 150 W y cuya fabricación es relativamente económica. Naturalmente, este principio de dispositivo de refrigeración integrado sin ventilador no se limita al la forma exacta de ejecución que se expone en la presente descripción. Por el contrario, a modo de ejemplo, también es posible recubrir exclusivamente partes del cuerpo de base o envolver el cuerpo de base sólo en determinadas zonas del cuerpo de perfil refrigerante o viceversa con un velo de fibras. También es concebible que el dispositivo de refrigeración conforme a la presente invención se pueda utilizar para la recuperación del calor perdido de gases cargados de sustancias nocivas o para la obtención de calor que se genera en los procesos biológicos. Para tal fin, la segunda forma de ejecución preferente resulta especialmente adecuada, ya que presenta un cuerpo de base con mayor superficie de absorción de calor. De forma general, el dispositivo de refrigeración conforme a la presente invención puede adaptarse de manera flexible a todas las condiciones generales externas. De este modo se logra una solución integrada con un ahorro de espacio excepcional y que funciona sin mantenimiento y respetando el medioambiente.

Claims (6)

1. Dispositivo de refrigeración para una unidad eléctrica y/o electrónica (5), con un cuerpo de base conductor del calor (3), que presenta dos caras frontales y una superficie de carcasa (7) y que es adecuado para ponerse en contacto con la unidad a refrigerar (5) mediante una cara frontal, con un cuerpo de perfil refrigerante (9), existiendo una cámara hermética al gas parcialmente evacuada (11) entre la superficie de carcasa del cuerpo de base (3) y el cuerpo de perfil refrigerante (9), y con un velo de fibras (19) impregnado en un líquido y fijado a la superficie de carcasa (7) del cuerpo de base (3), de forma que, durante el funcionamiento, el líquido contenido en el velo de fibras (19) se evapore en la cámara (11), se condense en la pared frente a la cámara (11) del cuerpo de perfil refrigerante (9) y se vuelva a conducir al velo de fibras (19), caracterizado por el hecho de que el cuerpo de perfil refrigerante (9, 109) está básicamente conformado como un tubo, presentando su pared una sección en zigzag u ondulada, y por el hecho de que el cuerpo de perfil refrigerante (9) está revestido por un elemento de envoltura (15) de modo que se conforman varios conductos de aire de tipo chimenea (17) entre el cuerpo de perfil refrigerante (9) y el elemento de envoltura (15).

2. Dispositivo de refrigeración para una unidad eléctrica y/o electrónica (105), con un cuerpo de base conductor del calor (103) conformado como cuerpo hueco, que presenta una superficie de pared interior (106) y una superficie de pared exterior (106) y que es adecuado para poner en contacto con un cuerpo de perfil refrigerante (103) que se encuentra en el interior del cuerpo de base (103), de modo que esté al menos parcialmente rodeado por la superficie de pared interior (106) del cuerpo de base (103), existiendo una cámara hermética al gas parcialmente evacuada (111) entre el cuerpo de base (103) y el cuerpo de perfil refrigerante (109), y con un velo de fibras (119) impregnado en un líquido y colocado sobre la superficie de pared interior (106) del cuerpo de base (103), de forma que, durante el funcionamiento, el líquido contenido en el velo de fibras (119) se evapore en la cámara (111), se condense en la pared frente a la cámara del cuerpo de perfil refrigerante (109) y se vuelva a conducir al velo de fibras (119).

3. Dispositivo de refrigeración conforme a la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el cuerpo de base (3) está conformado básicamente como cilindro macizo.

4. Dispositivo de refrigeración conforme a la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que hay colocado un elemento interno en forma de tubo (115) en el cuerpo de perfil refrigerante (109) de modo que, entre el cuerpo de perfil refrigerante (109) y el elemento interno en forma de tubo (116), se conforman varios conductos de aire de tipo chimenea (117) limitados por el cuerpo de perfil refrigerante (109) y el elemento interno (116).

5. Dispositivo de refrigeración conforme a la reivindicación 2 ó 4, caracterizado por el hecho de que el cuerpo de base (103) está conformado básicamente como cilindro hueco.

6. Dispositivo de refrigeración conforme a una de las reivindicaciones anteriormente mencionadas, caracterizado por el hecho de que hay dispuestas piezas preformadas (13, 113) de material sintético entre el cuerpo de perfil refrigerante (9, 109) y el cuerpo de base (3, 103), que hermetizan hacia arriba y abajo la cámara parcialmente evacuada (11, 111).