Sistema de gestión térmica.

Un sistema de gestión térmica (10) que comprende una fuente de calor con una superficie exterior (100a) y unainterfaz térmica (20) que a su vez comprende una lámina de grafito flexible anisotrópica formada por partículascomprimidas de grafito natural exfoliado y que posee un área planar mayor que el área de la superficie exteriorde la fuente de calor.

La lámina de grafito flexible posee una primera y segunda superficies planares principales yposee ejes de conductividad térmica superior paralelos a las mencionadas superficies planares principales, y secaracteriza porque la primera de las mencionadas superficies planares principales se encuentra en contactodirecto operativo con la fuente de calor.

Sistema de gestión térmica.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un sistema para la gestión del calor procedente de una fuente de calor, como por ejemplo un componente electrónico. Más en concreto, la presente invención se refiere a un sistema eficaz para disipar el calor generado por un componente electrónico.

Antecedentes de la invención [0002] El desarrollo de dispositivos electrónicos cada vez más sofisticados –incluidos aquellos capaces de una mayor velocidad de procesamiento y frecuencias más altas, con un tamaño más reducido y requisitos de energía más complicados, y aquellos que presentan otros avances tecnológicos, como por ejemplo microprocesadores y circuitos integrados en componentes y sistemas electrónicos y eléctricos, así como en otros dispositivos, por ejemplo dispositivos ópticos de alta potencia– hace que se puedan generar temperaturas relativamente extremas. Sin embargo, los microprocesadores, los circuitos integrados y otros componentes electrónicos sofisticados normalmente funcionan de forma eficaz sólo dentro de un rango determinado de temperaturas umbral. El calor excesivo generado durante el funcionamiento de estos componentes puede no solo perjudicar su propio rendimiento, sino también deteriorar el rendimiento y la fiabilidad de otros componentes del sistema y del sistema en su conjunto, llegando incluso a causar fallos o averías del sistema. La gama cada vez más extensa de condiciones ambientales (incluidas las temperaturas extremas) en las que se prevé que los sistemas electrónicos han de funcionar también intensifica estos efectos negativos.

Debido a la necesidad cada vez mayor de conseguir una disipación del calor causado por las condiciones mencionadas en los dispositivos microelectrónicos, la gestión térmica se ha convertido en un elemento cada vez más importante en el diseño de los productos electrónicos. Como se ha indicado, la fiabilidad de funcionamiento y la esperanza de vida útil de los equipos electrónicos guardan una relación inversamente proporcional a la temperatura de los componentes de dichos equipos.

Por ejemplo, una reducción en la temperatura de funcionamiento de un dispositivo, por ejemplo un semiconductor típico de silicio, puede corresponderse con un incremento exponencial en la fiabilidad y la esperanza de vida útil de dicho dispositivo. Por lo tanto, para aumentar al máximo la vida útil y fiabilidad de un componente, resulta de vital importancia el control de la temperatura de funcionamiento del dispositivo dentro de los límites fijados por sus diseñadores.

Los disipadores de calor (en inglés, heat sinks) son componentes que facilitan la disipación de calor de la superficie de una fuente de calor, por ejemplo un componente electrónico que genera calor, a un entorno más frío, normalmente el aire. En muchas situaciones típicas, la transferencia de calor entre la superficie sólida del componente y el aire constituye la menos eficaz dentro del sistema, y la interfaz sólido-aire representa, por lo tanto, el mayor obstáculo para la disipación de calor. Un disipador de calor tiene como objetivo incrementar la eficacia de la transferencia de calor entre los componentes y el aire ambiente, principalmente al incrementar el área de superficie que se encuentra en contacto directo con el aire. Esto permite la disipación de una mayor cantidad de calor, disminuyendo así la temperatura de funcionamiento del dispositivo. El objetivo principal de un disipador de calor consiste en contribuir a mantener la temperatura del dispositivo por debajo de la temperatura máxima permisible especificada por su diseñador o fabricante.

Por regla general, los disipadores de calor se fabrican con un metal, especialmente el cobre o el aluminio, debido a la capacidad del cobre de absorber fácilmente el calor y transferirlo por toda su estructura. En muchas aplicaciones se construyen disipadores de calor de cobre con aletas u otras estructuras para incrementar el área de superficie del disipador de calor, obligando el paso del aire a través de las aletas de cobre (por ejemplo, mediante un ventilador) para conseguir la disipación de calor desde el componente electrónico, a través del disipador de calor de cobre, y por último al aire.

Con todo, existen limitaciones por lo que respecta al uso de disipadores de calor de cobre. Una de estas limitaciones se refiere a la isotropía relativa del cobre, es decir, la tendencia de una estructura de cobre a distribuir el calor de forma relativamente uniforme por toda la estructura. De la isotropía del cobre se deriva que el calor transmitido a un disipador de calor de cobre se distribuya por toda la estructura, en vez de dirigirse de manera preferente a las aletas donde se produce la transferencia más eficaz al aire. Esto puede reducir la eficacia de la disipación de calor cuando se utiliza un disipador de calor de cobre. Además, el uso de disipadores de calor de cobre o aluminio puede presentar un problema debido al peso del metal, en particular cuando el área de calentamiento es significativamente más pequeña que la del disipador de calor. Por ejemplo, el cobre puro pesa 8, 96 gramos por centímetro cúbico (g/cm3) y el aluminio puro pesa 2, 70 g/cm3 (compárese con el grafito puro, que pesa entre aproximadamente 1, 4 g/cm3 y 1, 8 g/cm3) . En muchas aplicaciones es necesario colocar de forma ordenada varios disipadores de calor, por ejemplo en una placa de circuito, para disipar el calor procedente de una variedad de componentes en la placa. Si se utilizan disipadores de calor de cobre, el simple peso del cobre en la placa puede incrementar las posibilidades de que se produzcan fisuras en la misma o de otros efectos adversos indeseables, además de incrementar el peso del propio componente. Asimismo, puesto que el cobre es un metal y, por lo tanto, posee las irregularidades y deformaciones en su superficie propias de los metales, y es probable que la superficie del componente electrónico a la que se está uniendo el disipador de calor de cobre sea también de metal o de otro material relativamente rígido, como por ejemplo el óxido de aluminio o un material cerámico, la creación de una conexión completa entre un disipador de calor de cobre y el componente, de manera que se aumente al máximo la transferencia de calor desde el componente al disipador de calor de cobre, puede resultar difícil sin un montaje a una presión relativamente alta, lo que resulta poco deseable, ya que ello podría acarrear daños al componente electrónico.

Por consiguiente, lo que se desea es un sistema de gestión térmica que resulte eficaz para la disipación de calor procedente de una fuente de calor, por ejemplo un componente electrónico. El sistema de gestión térmica debería contar con la ventaja de ser relativamente anisotrópico, en comparación con el cobre, poseer una relación relativamente alta entre su conductividad térmica y su peso, y ser capaz de una unión conformable con la superficie de la fuente de calor.

En la patente estadounidense nº 5.991.155 se divulga un sistema de gestión térmica que comprende una lámina de grafito exfoliado recomprimido cubierta con capas exteriores de plástico y metal, como en la publicación de patente japonesa abierta a inspección pública nº Hei 6-134917.

Resumen de la invención [0010] Un objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema de gestión térmica para una fuente de calor. Este sistema de gestión térmica resultará eficaz para incrementar el área útil de la superficie de la fuente de calor desde la cual se va a disipar el calor.

Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema de gestión térmica que exhiba un grado relativamente alto de anisotropía.

Otro objetivo adicional de la presente invención es proporcionar un sistema de gestión térmica capaz de formar una conexión térmica deseablemente completa con la superficie de la fuente de calor sin necesidad de un montaje a alta presión.

Otro objetivo adicional de la presente invención es proporcionar un sistema de gestión térmica que posea una relación relativamente alta entre su conductividad térmica y su peso.

Otro objetivo adicional de la presente invención es proporcionar un sistema de gestión térmica fabricado de tal manera que pueda localizar las superficies de disipación térmica del mismo con el fin de incrementar al máximo la disipación de calor desde la fuente de calor.

Un sistema de gestión térmica, de conformidad con las reivindicaciones adjuntas, es capaz de alcanzar todos estos objetivos. Se proporciona una fuente de calor, como por ejemplo un componente electrónico, teniendo la fuente de calor una superficie exterior. También se proporciona una interfaz... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de gestión térmica (10) que comprende una fuente de calor con una superficie exterior (100a) y una interfaz térmica (20) que a su vez comprende una lámina de grafito flexible anisotrópica formada por partículas comprimidas de grafito natural exfoliado y que posee un área planar mayor que el área de la superficie exterior de la fuente de calor. La lámina de grafito flexible posee una primera y segunda superficies planares principales y posee ejes de conductividad térmica superior paralelos a las mencionadas superficies planares principales, y se caracteriza porque la primera de las mencionadas superficies planares principales se encuentra en contacto directo operativo con la fuente de calor.

2. Un sistema de gestión térmica (10) , de conformidad con la reivindicación 1, en el que la lámina de grafito flexible anisotrópica es un disipador de calor o actúa como un disipador de calor.

3. Un sistema de gestión térmica (10) , de conformidad con las reivindicaciones 1 ó 2, en el que la fuente de calor comprende un componente electrónico (100) .

4. Un sistema de gestión térmica (10) , de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones comprendidas entre la 1 y la 3, en el que la relación de conductividad térmica de la lámina de grafito anisotrópica paralela a las superficies principales, en comparación con la dirección transversal de la superficie principal, es de al menos aproximadamente 20 a uno.

5. Un sistema de gestión térmica (10) , de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones comprendidas entre la 1 y la 4, en el que la presión de contacto entre la lámina de grafito flexible y la fuente de calor es inferior a 345 kPa (50 libras por pulgada cuadrada (psi) ) .

6. Un sistema de gestión térmica (10) , de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones comprendidas entre la 1 y la 5, en el que el área de superficie de la lámina de grafito flexible es de al menos dos veces el área de superficie de la superficie exterior de la fuente de calor.

7. Un sistema de gestión térmica (10) , de conformidad con la reivindicación 6, en el que el área de superficie de la lámina de grafito flexible es de al menos cuatro veces el área de superficie de la superficie exterior de la fuente de calor.

8. Un sistema de gestión térmica (10) , de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones comprendidas entre la 1 y la 7, en el que se proporciona la lámina de grafito flexible como parte de un artículo de grafito –o conjuntamente con el mismo– que comprende láminas anisotrópicas de partículas comprimidas de grafito exfoliado laminadas en un artículo unitario y con la forma deseada para proporcionar una superficie de recogida de calor y al menos una superficie de disipación de calor.

9. Un sistema de gestión térmica (10) , de conformidad con la reivindicación 8, en el que la superficie de recogida de calor del artículo de grafito está dispuesta en una conexión operativa con la fuente de calor para causar la disipación de calor desde la fuente de calor a través de al menos una superficie de disipación de calor del artículo de grafito.

10. Un sistema de gestión térmica (10) , de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones comprendidas entre la 1 y la 7, que además comprende un disipador de calor (30) , el cual a su vez comprende un artículo de grafito con la forma apropiada para proporcionar una superficie de recogida de calor y al menos una superficie de disipación de calor, estando la superficie de recogida de calor del disipador de calor en contacto operativo con una segunda superficie de las mencionadas superficies planares principales de la lámina de grafito flexible.

11. Un sistema de gestión térmica (10) , de conformidad con la reivindicación 10, en el que el artículo de grafito comprende láminas flexibles anisotrópicas de partículas comprimidas de grafito exfoliado laminadas en un artículo unitario.