Aparato termorregulador de flujo térmico simétrico para dispositivos electrónicos con geometría cilíndrica,

comprendiendo:- un dado metálico (18) que alberga al dispositivo electrónico (19);- cuatro celdas peltier (16) que intercambian calor con el dado (18);- un intercambiador térmico que intercambia calor con las celdas peltier (16), comprendiendo un bastidor (15) en contacto con las celdas peltier (16) y cuatro disipadores térmicos (5) adheridos a cada lado externo del bastidor (15);- sensor de temperatura del dado (11);-sensor de temperatura del intercambiador térmico (6);- un controlador de las celdas peltier (31), para controlar la corriente que circula por las celdas peltier (16) y su sentido de circulación;- medios de procesamiento de datos (30), que recibe las temperaturas del dado (18) y del intercambiador térmico y controla la corriente de las celdas peltier (16) y su sentido de circulación para mantener la temperatura del dado (18) regulada

Aparato termorregulador de flujo simétrico para dispositivos electrónicos con geometría cilíndrica.

Campo de la invención

La invención presentada, se enmarca en el campo de la industria mecánica y electrónica para aplicaciones de control y regulación térmica en componentes y dispositivos electrónicos.

Antecedentes de la invención

En términos generales, los dispositivos electrónicos poseen variadas formas geométricas. Los circuitos integrados tienen forma de paralelepípedo y contienen muchos dispositivos activos que producen calor siendo su distribución dependiente de la disposición de éstos. Los dispositivos discretos pueden tener forma cilíndrica o rectangular a nivel cristalino y son normalmente encapsulados en formas cilíndricas. Los dispositivos discretos de potencia contienen geles o líquidos termoconductores que bañan la estructura cristalina haciendo que el calor cedido se distribuya homogéneamente sobre la cápsula cilíndrica que los contiene.

Por otro lado, los refrigeradores pasivos basados en aletas intercambiadoras de calor por convección con el aire pueden tener geometría cilíndrica (abrazando a la capsula igualmente cilíndrica), rectangular o circular con aletas con una forma plana en donde contacta con el circuito discreto o integrado de forma similar.

No existen bombas de calor de estado sólido que se adapten a una geometría (sus formas son rectangulares, circulares o anulares), obedeciendo siempre a la presentación de dos caras opuestas en el espacio para el foco frío y el foco caliente. Por ello, es necesario utilizar estos dispositivos conformando estructuras espaciales que permitan adaptar las características de los flujos generados.

La uniformización térmica espacial en geometrías radiales o axiales aplicadas a dispositivos con igual geometría permite minimizar en ellos las tensiones mecánicas que generan los gradientes térmicos, estabilizar sus características eléctricas y aumentar su durabilidad.

W. Koechner, en su libro "Solid State Láser Engineering" 2006 Springer, sugiere el uso de dispositivos termorreguladores con forma simétrica para la refrigeración de láseres de alta potencia basados en gas con el fin de uniformizar su comportamiento eléctrico y mecánico.

Unos de los problemas más comunes en ingeniería electrónica es encontrar soluciones al problema de la termorregulación de circuitos y componentes electrónicos que deben mantener unas condiciones térmicas específicas para su funcionamiento. Los dispositivos semiconductores, por su naturaleza, son fuertemente dependientes de la temperatura. Cuando se utilizan semiconductores en sensores y actuadores, debe diseñarse una estrategia de control térmico para garantizar que éstos se mantengan en las franjas de funcionamiento térmico adecuado.

Por otro lado, un cambio térmico conlleva, no solo una desviación de las características eléctricas del dispositivo, sino también un fenómeno de envejecimiento y de alteración mecánica. Un dispositivo semiconductor sometido a temperaturas extremas, sufre alteraciones en los niveles de inyección de portadores y su comportamiento no lineal induce a forzar los objetivos eléctricos en zonas térmicas inadecuadas. Si, además, los cambios térmicos no son isotrópicos en el semiconductor, se producen gradientes térmicos irregulares que provocan la aparición de tensiones y deformaciones en la estructura cristalina alterando igualmente la durabilidad y las características funcionales.

En general, un dispositivo electrónico trabajando en su punto de operación tiende a calentarse por encima de la temperatura ambiente generando un flujo de calor hacia el exterior. Este gradiente térmico alcanza una condición de equilibrio que mantiene al dispositivo en una temperatura estable que será adecuada o no. Cualquier cambio de las condiciones ambientales provoca un cambio en el gradiente tendiéndose hacia una nueva condición de equilibrio y a otra temperatura. El semiconductor propaga el calor por conducción al sustrato, terminales, capsula, medio intercambiador térmico (radiador térmico, si existe) y por convección simple o forzada, al aire que lo circunda. Para una temperatura del aire dada, se alcanzará un gradiente térmico estable no necesariamente uniforme y una temperatura del dispositivo también estable. El objeto de un regulador térmico es conseguir que la temperatura del dispositivo o su estado térmico se encuentren en la posición óptima maximizando su rendimiento y durabilidad sin que se produzcan deformaciones mecánicas.

El uso de dispositivos basados en fenómenos termoeléctricos, nos permite ir más allá que la simple búsqueda del intercambio térmico. Estos dispositivos nos permiten generar flujos de calor entre dos zonas, fría y caliente, por la aplicación de una corriente eléctrica.

En esta invención se presenta un aparato regulador térmico que hace uso de celdas peltier en una configuración geométrica que genera un flujo de calor controlado simétricamente a lo largo de un eje. Un dispositivo con forma cilíndrica situado en este eje sufre un intercambio de calor homogéneo generándose flujo con simetría axial. Así el gradiente térmico asociado es uniforme en todos los planos perpendiculares al eje del cilindro. Esta invención está especialmente diseñada para el tratamiento térmico de dispositivos electrónicos con forma cilíndrica. Es decir, los elementos activos del semiconductor deben tener forma cilíndrica como por ejemplo en dispositivos optoelectrónicos tales como los diodos láser VCSEL ó fotodiodos de avalancha.

Una celda peltier es un dispositivo termoeléctrico que funciona como una pequeña bomba de calor. La celda peltier tiene dos caras. Una corriente continua aplicada a una celda peltier origina un flujo de calor que enfría una de las caras y calienta la otra. Cuando una celda peltier se conecta a una fuente de tensión adecuada, se genera un flujo de calor que va disminuyendo hasta que se alcanza una diferencia de temperatura máxima. Si se aporta calor en la cara fría, éste absorberá una cantidad de calor que será máxima cuando de nuevo se alcance la igualdad de temperatura entre las dos caras. Al igual que los refrigeradores mecánicos, una celda peltier se rige según los mismos fundamentos y principios de la termodinámica. La cara caliente de una celda peltier usa normalmente un intercambiador o disipador térmico que, mediante convección, intercambia el calor con el aire circundante. Para incrementar el intercambio térmico, se suele utilizar ventilación forzada con ventiladores que impulsan el aire sobre el disipador térmico.

Analíticamente, si T_c es la temperatura de la cara fría y T_h la temperatura de la cara caliente (temperatura expresada en ºK), el flujo de calor absorbido o velocidad de transferencia de calor Q_c por la cara fría en watios viene dado por:

donde S es el coeficiente Seebeck evaluado en las caras caliente y fría, I la corriente eléctrica que circula por la celda (en amperios), R la resistencia térmica de la celda (en ohmios), K la conductancia térmica de la celda (en watios/ºK), evaluada en las caras caliente y fría y ΔF = T_h - T_c la diferencia de temperatura entre las dos caras.

Por otro lado, el flujo calor cedido Q_h por la cara caliente, en watios, viene dado por:

siendo P_c la potencia consumida por la celda en watios.

La diferencia de temperaturas ΔT entre la cara fría y la cara caliente de la celda peltier es una variable esencial para la determinación del calor transferido. Cuanto mayor sea esta diferencia mayor calor se podrá extraer. Cuando esta diferencia es cero, no se transfiere calor y las temperaturas de la cara fría y caliente se igualan. Si en un proceso de regulación se fija una temperatura objetivo fuera de la franja establecida por ΔT, no se podrá realizar la regulación.

La regulación es un campo de la ingeniería que estudia el control de un proceso en un estado concreto. Un regulador térmico es un sistema que permite...

1. Aparato termorregulador de flujo térmico simétrico para dispositivos electrónicos con geometría cilíndrica, caracterizado por que comprende:

- un dado metálico (18) encargado de albergar en su eje central al dispositivo electrónico (19) de geometría cilíndrica a regular térmicamente;

- cuatro celdas peltier (16), cada una con una primera cara en contacto con cada lado externo del dado metálico (18), encargadas de intercambiar calor con el dado (18);

- un intercambiador térmico encargado de intercambiar calor con las celdas peltier (16), que comprende cuatro disipadores térmicos (5), cada uno en contacto térmico con la segunda cara de cada celda peltier (16);

- medios de medición de la temperatura del dado (11);

- medios de medición de la temperatura del intercambiador térmico (6);

- un controlador de las celdas peltier (31), que permite el control de la corriente que circula por las celdas peltier (16) y de su sentido de circulación;

- medios de procesamiento de datos (30), encargados de recibir las temperaturas del dado (18) y del intercambiador térmico y controlar a través del controlador de las celdas peltier (31) la corriente de las celdas peltier (16) y su sentido de circulación para mantener la temperatura del dado (18) regulada.

2. Aparato termorregulador según la reivindicación 1, donde el intercambiador térmico comprende un bastidor (15), estando las cuatro celdas peltier (16) adheridas cada una por la segunda cara a cada lado interno del bastidor (15) y los cuatro disipadores térmicos (5) adheridos cada uno a cada lado externo del bastidor (15).

3. Aparato termorregulador según la reivindicación 2, donde los medios de medición de la temperatura del intercambiador térmico comprende un sensor de temperatura (6) adherido al bastidor (15).

4. Aparato termorregulador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los medios de medición de la temperatura del dado comprende un sensor de temperatura (11) adherido al dado (18).

5. Aparato termorregulador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente cuatro ventiladores (4), cada uno enfrentado a cada disipador (5), estando los medios de procesamiento de datos (30) encargado del control de dichos ventiladores (4).

6. Aparato termorregulador según la reivindicación 5, donde los medios de procesamiento de datos (30) están configurados para efectuar la termorregulación del dado (18) en lazo cerrado, para lo cual dichos medios de procesamiento de datos (30) están configurados para:

7. Aparato termorregulador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente una pluralidad de aislantes térmicos (17,20,21,22,23) que conforman una cavidad adiabática sobre el dado metálico (18).

8. Aparato termorregulador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un soporte anterior (2) y un soporte posterior (3) de baja conductividad térmica, que soporta en su interior el dado metálico (18) y el intercambiador térmico.

9. Aparato termorregulador según la reivindicación 8, donde el dispositivo electrónico (19) con geometría cilíndrica es un diodo láser (19) de un transmisor láser (14), comprendiendo el aparato termorregulador:

- un tubo de enfoque (7) y una lente esférica (8) montados en el soporte anterior (2) para focalizar el haz del diodo láser (19), y

- medios de fijación (12) en el soporte posterior (3) para la fijación del transmisor láser (14).

10. Aparato termorregulador según la reivindicación 8, donde el dispositivo electrónico con geometría cilíndrica es un fotodiodo de avalancha de un receptor láser, comprendiendo el aparato termorregulador:

- un tubo de enfoque (7) y una lente esférica (8) montados en el soporte anterior (2) para focalizar el haz recibido por el fotodiodo de avalancha, y

- medios de fijación (12) en el soporte posterior (3) para la fijación del receptor láser.