Un sistema de gestión térmica (10) que comprende:

un elemento planar de grafito anisotrópico (16) que comprende partículas comprimidas de grafito exfoliado con una conductividad térmica relativamente elevada en el plano del elemento planar y una conductividad térmica relativamente baja a través de un grosor (18) del elemento planar en una dirección normal al plano del elemento planar,

presentando el elemento planar una cavidad (20) definida en el mismo; y un núcleo (22) recibido de forma ajustada en la cavidad, estando el núcleo construido a base de un material de núcleo isotrópico, de manera que se pueda conducir el calor procedente de una fuente de calor a través del núcleo al grosor del elemento planar y después al exterior a través del plano del elemento planar

Componente de disipación de calor que utiliza insertos de alta conducción.

Se hace saber que nosotros, Daniel W. Krassowski, ciudadano de los Estados Unidos de América con domicilio en 13049 Heather Lane, Columbia Station, Ohio 44028, y Gary G. Chen, ciudadano de los Estados Unidos de América con domicilio en 5293 Big Creek Parkway, Apt. nº 3, Parma, Ohio 44129, hemos inventado una invención nueva y útil que lleva por título "Componente de disipación de calor que utiliza insertos de alta conducción".

Campo técnico

La presente invención se refiere a un componente de disipación de calor capaz de controlar el calor procedente de una fuente de calor, por ejemplo un dispositivo electrónico. Más en concreto, la presente invención se refiere a un componente de disipación de calor que resulta eficaz para la disipación del calor generado por un dispositivo electrónico, en el que el componente de disipación de calor se construye mediante el ensamblaje de un elemento planar de grafito anisotrópico con un núcleo de alta conductividad térmica.

Antecedentes de la invención

Debido al desarrollo de dispositivos electrónicos cada vez más sofisticados, incluidos aquellos con una mayor velocidad de procesamiento y frecuencias más altas, aquellos que poseen un tamaño más reducido y requisitos de energía más complicados, aquellos que ofrecen otros avances tecnológicos, como por ejemplo microprocesadores y circuitos integrados en componentes y sistemas electrónicos y eléctricos, y otros dispositivos, por ejemplo dispositivos ópticos de alta potencia, se pueden 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 umbrales de temperatura. 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 del sistema en su conjunto, llegando incluso a causar fallos o averías en el sistema. La gama cada vez más extensa de condiciones ambientales, incluidas las temperaturas extremas, en las que se prevé que los sistemas electrónicos funcionen, agrava los efectos negativos del calor excesivo.

Puesto que existe una mayor necesidad de conseguir una disipación de calor en los dispositivos microelectrónicos, la gestión térmica se convierte en un elemento cada vez más importante en el diseño de los productos electrónicos. 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 los equipos. Por ejemplo, una reducción en la temperatura de funcionamiento de un dispositivo, como por ejemplo un semiconductor típico de silicio, puede tener como consecuencia un incremento exponencial de la fiabilidad y 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.

Se utilizan diferentes tipos de componentes de disipación de calor son utilizados para facilitar la disipación de calor procedente de dispositivos electrónicos. La presente invención es aplicable directamente a varios de estos componentes de disipación de calor, entre los que figuran aquellos denominados normalmente esparcidores de calor, aquellos denominados normalmente placas frías, y aquellos denominados normalmente disipadores de calor, entre otros.

Estos componentes de disipación de calor facilitan la disipación de calor desde la superficie de una fuente de calor, por ejemplo un dispositivo 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 dispositivo electrónico 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. Los componentes de disipación de calor tienen como objetivo incrementar la eficacia de la transferencia de calor entre el dispositivo electrónico y el aire ambiente, principalmente al incrementar el área de superficie que se encuentra en contacto directo con el aire o con otros medios de transferencia de calor. Esto permite la disipación de una mayor cantidad de calor, disminuyendo así la temperatura de funcionamiento del dispositivo electrónico. El objetivo principal de un componente de disipación 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 componentes de disipación de calor se fabrican con un metal, especialmente cobre o aluminio, debido a la capacidad de metales como el cobre de absorber fácilmente el calor y transferirlo por la totalidad de su estructura. En el caso de los disipadores de calor, a menudo 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 (por ejemplo, por medio de un ventilador) para conseguir la disipación de calor desde el componente electrónico a través del disipador de calor de cobre y a continuación al aire.

Con todo, existen limitaciones por lo que respecta al uso de componentes metálicos de disipación de calor. Una de estas limitaciones se refiere a la isotropía relativa de un metal, es decir, la tendencia de una estructura metálica a distribuir el calor de forma relativamente uniforme por toda la estructura. De la isotropía de un metal se deriva que el calor transmitido a un componente metálico de disipación de calor se distribuya por toda la estructura, en vez de dirigirse de manera preferente a una ubicación deseada.

Además, el uso de elementos de disipación de calor de cobre o aluminio puede presentar un problema debido al peso del metal, en particular cuando el área de transmisión de calor del componente de disipación de calor es significativamente más grande que la del dispositivo electrónico. 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 los artículos de grafito, que normalmente pesan menos de aproximadamente 1,8 g/cm³).

Por ejemplo, en muchas aplicaciones es necesario colocar de forma ordenada varios disipadores de calor, como por ejemplo una placa de circuito para disipar calor procedente de una variedad de componentes en la placa. Si se utilizan disipadores de calor metálicos, el simple peso del metal en la placa puede incrementar las posibilidades de que se produzcan fisuras en dicha placa o de otros efectos adversos indeseables, además de incrementar el peso del propio componente.

En el caso de los componentes de disipación de calor de mayor tamaño, como por ejemplo la clase de componentes conocidos como esparcidores de calor, el peso de un esparcidor de calor de cobre puro requiere características y diseños mecánicos especiales para contener el esparcidor de calor.

Lo que se desea, por consiguiente, es un componente de disipación de calor que resulte eficaz para la disipación de calor procedente de una fuente de calor, por ejemplo un dispositivo electrónico. El componente de disipación de calor debería contar con la ventaja de ser relativamente anisotrópico, en comparación con un metal como el cobre o el aluminio, y poseer una relación relativamente alta entre su conductividad térmica y su peso. Un grupo de materiales adecuado para su uso en los disipadores de calor son los materiales conocidos como grafitos, en especial los grafitos anisotrópicos, como por ejemplo los basados en grafitos naturales y grafito flexible, como se describirá a continuación.

Los grafitos se componen de planos de capas de estructuras o redes hexagonales de átomos de carbono. Estos planos de capas de átomos de carbono dispuestos hexagonalmente son sustancialmente planos, están orientados u ordenados de forma sustancialmente paralela y son equidistantes entre sí. Las láminas o capas de átomos de carbono sustancialmente equidistantes, paralelas y planas, que normalmente se denominan capas de grafeno o planos basales, están ligadas o unidas y grupos de las mismas se configuran en cristalitos. Los grafitos altamente ordenados consisten en cristalitos de tamaño considerable; los cristalitos están altamente...

1. Un sistema de gestión térmica (10) que comprende:

2. El sistema (10) de la reivindicación 1, en el que el elemento planar (16) se ajusta por contracción con el núcleo (22) mediante una expansión y contracción térmicas de al menos el elemento planar o el núcleo.

3. El sistema (10) de las reivindicaciones 1 ó 2, que además comprende:

4. El sistema (10) de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que:

5. El sistema (10) de la reivindicación 4, en el que las hojas están impregnadas con resina.

6. El sistema (10) de las reivindicaciones 4 ó 5, en el que el núcleo (22) se extiende completamente a través de las hojas laminadas.

7. El sistema (10) de cualquier reivindicación anterior, en el que el material del núcleo (22) es un metal.

8. El sistema (10) de cualquier reivindicación anterior, en el que el núcleo (22) es un núcleo de forma cilíndrica que posee un eje cilíndrico en una orientación normal al plano del elemento planar (16).

9. Un procedimiento para disipar el calor de una fuente de calor, el cual comprende: