Un procedimiento para refrigerar una estructura de generación de calor (12) dispuesta en un entorno que tiene una presión ambiental,

comprendiendo la estructura de generación de calor componentes electrónicos, comprendiendo el procedimiento:

proporcionar un refrigerante (16);

reducir una presión del refrigerante (16) a una presión subambiental a la cual el refrigerante (16) tiene una temperatura de ebullición inferior a una temperatura de la estructura de generación de calor (12);

poner en contacto entre sí la estructura de generación de calor (12) y el refrigerante a una presión subambiental, de modo que el refrigerante (16) hierva y se vaporice para de este modo absorber calor de la estructura de generación de calor (12);

caracterizado por la etapa de filtrar el refrigerante (16) utilizando un lecho de filtrado a una presión subambiental para mantener un nivel de pureza deseado y dotar al refrigerante de una resistividad eléctrica superior a un millón de ohmios-cm.

Procedimiento y aparato para refrigerar componentes electrónicos con un refrigerante a una presión subambiental La invención se refiere en general a técnicas de refrigeración y, más concretamente, a un procedimiento y/o un aparato para refrigerar componentes electrónicos con un refrigerante a una presión subambiental.

Algunos tipos de circuitos electrónicos utilizan relativamente poca potencia, y producen poco calor. Los circuitos de este tipo se pueden refrigerar satisfactoriamente a menudo mediante una aproximación pasiva, tal como refrigeración por convección. Por el contrario, existen otros circuitos que consumen grandes cantidades de potencia, y producen grandes cantidades de calor. Un ejemplo es el circuito utilizado en un sistema de antenas en fase. Otros incluyen otros tipos de componentes electrónicos, tales como componentes electrónicos de empaquetado denso utilizada para los circuitos computacionales presentes y futuros, que pueden producir 15 1000-10.000 W de calor por centímetro cúbico, o más.

En el ejemplo de las antenas en fase modernas, el sistema puede producir fácilmente hasta 500 kW de calor, o incluso más. Se prevé que los ordenadores futuros produzcan cantidades de calor igualmente grandes. Una aproximación conocida para refrigerar esta circuitería es incorporar una unidad de refrigeración en la refrigeración de los componentes electrónicos. Sin embargo, las unidades de refrigeración adecuadas son grandes, pesadas, y consumen muchos 15 kilovatios de potencia con el fin de producir una refrigeración adecuada. Aunque las unidades de refrigeración de este tipo han sido adecuadas generalmente para los propósitos pretendidos, no han sido satisfactorias en todos sus aspectos. Un factor igualmente importante es la incapacidad de los procedimientos existentes de retirar grandes cargas de flujo térmico de los componentes y módulos electrónicos. Las aproximaciones existentes, que utilizan un refrigerante que fluye dentro de una placa fría o plano térmico sobre el cual se montan los componentes y módulos eléctricos, tienen un rendimiento de transferencia de calor inadecuado para dar satisfacción a necesidades futuras. Además, aproximaciones que utilizan flúor inerte en pulverización, de dos fases, no son satisfactorias en todos los aspectos.

El lector podrá ser ilustrado adicionalmente en lo que se refiere al estado de la técnica más cercano por referencia a los documentos EP 1.601.043 y EP 1.318.719. Las características esenciales comunes a la invención y al documento EP

1.601.043 se recitan en las cláusulas precaracterizadoras de las reivindicaciones independientes.

La presente invención proporciona un procedimiento y un aparato para refrigerar una estructura de generación de calor de acuerdo con las reivindicaciones independientes.

Mejoras adicionales son caracterizadas por las reivindicaciones independientes.

De acuerdo con un modo de realización de la invención, se proporciona un procedimiento para refrigerar una estructura de generación de calor dispuesta en un entorno que tiene una presión ambiental. La estructura de generación de calor incluye 30 componentes electrónicos. El procedimiento incluye proporcionar un refrigerante, reducir una presión del refrigerante hasta una presión subambiental a la cual el refrigerante tiene una temperatura de ebullición inferior a la temperatura de la estructura de generación de calor, y poner en contacto entre sí la estructura de generación de calor y el refrigerante a la presión subambiental, de modo que el refrigerante hierva y se vaporice para absorber así el calor de la estructura de generación de calor. En un modo de realización más concreto, el refrigerante es bien agua pura o metanol puro con un nivel de resistividad superior a un millón de ohmios-cm.

Algunos modos de realización de la invención pueden proporcionar numerosas ventajas técnicas. Otros modos de realización pueden llevar a cabo alguna, ninguna, o todas estas ventajas. Por ejemplo, de acuerdo con un modo de realización, se pueden retirar grandes cantidades de calor de una estructura de generación de calor, lo que permite, por ejemplo, utilizar componentes electrónicos empaquetados más densamente.

Otras ventajas serán fácilmente identificables por aquellos expertos en la técnica.

Breve descripción de los dibujos Una comprensión más completa de los modos de realización de la invención será aparente de la descripción detallada, a modo de ejemplo, tomada en conjunción con los dibujos adjuntos, en los cuales:

la figura 1A es un diagrama de bloques de un aparato que incluye una estructura de generación de calor y un montaje de 45 refrigeración asociado de acuerdo con un modo de realización de la presente invención;

la figura 1B es una vista lateral de un ejemplo de la cámara y de la estructura de producción de calor del sistema de la figura 1A;

la figura 2 es un diagrama esquemático de un modo de realización de la estructura de generación de calor de la figura 1;

la figura 3A es un diagrama esquemático de un módulo de flujo continuo que incluye un conjunto de los sustratos de circuito de las figuras 3B a 3D que pueden ser refrigerados de acuerdo con el procedimiento de la figura 1A;

las figuras 3B a 3C son diagramas esquemáticos que muestran diversas vistas de un sustrato de circuito que puede ser refrigerado de acuerdo con el procedimiento de la figura 1A;

la figura 4A es un diagrama esquemático de un bastidor para sostener un conjunto de módulos de la figura 3D; y la figura 4B es un conjunto que combina el bastidor de la figura 4A y un conjunto de módulos de la figura 3D que pueden ser refrigerados de acuerdo con el procedimiento de la figura 1A.

Descripción detallada de modos ejemplares de realización de la invención Modos ejemplares de realización de la presente invención y sus ventajas se entienden mejor en referencia a las figuras 1A-1B de los dibujos, en las que números similares se utilizan para piezas similares y correspondientes de los diversos dibujos.

La figura 1A es un diagrama de bloques de un aparato 10 que incluye una estructura de generación de calor 12. La estructura de generación de calor 12 puede ser, en un modo de realización concreto, uno o más conjuntos de componentes microelectrónicos, que pueden producir una cantidad enorme de calor que es difícil de enfriar utilizando técnicas convencionales. Alternativamente, estructuras de generación de calor pueden no incluir componentes 15 electrónicos y/o puede no producir cantidades de calor excesivas. En general, aunque las enseñanzas de la invención pueden proporcionar mayores beneficios para refrigerar componentes microelectrónicos que produce cantidades de calor excesivas, estas enseñanzas son aplicables a la refrigeración de cualquier tipo de dispositivo con niveles de generación de calor altos o bajos. De acuerdo con las enseñanzas de un modo de realización de la invención, la estructura de generación de calor 12 se sumerge en un baño de refrigerante 16 en una cámara 14 y/o se somete a un flujo de refrigerante 16, refrigerante 16 que está a una presión subambiental. Un ejemplo se ilustra en la figura 1B. El baño puede ser generalmente un baño estacionario o, alternativamente, el baño puede utilizar además un flujo de refrigerante 16 para mejorar adicionalmente la transferencia de calor de la estructura de generación de calor 12 al refrigerante 16. Alternativamente, el baño puede ser sustituido con un simple flujo de refrigerante sobre la estructura de generación de calor 12.

El refrigerante 16 puede ser cualquier líquido con una resistividad y propiedades de calor latente de vaporización adecuadas. En el entorno en el que se utilizan componentes microelectrónicos en una estructura de generación de calor 12, la resistividad del refrigerante 16 debe ser lo suficientemente alta para que el refrigerante 16 no forme un cortocircuito en los componentes microelectrónicos. Además, cuando se necesita eliminar grandes cargas térmicas, son más deseables líquidos con un calor latente de vaporización relativamente alto. Tanto el agua como el metanol puros cumplen con estos criterios cuando se utilizan componentes microelectrónicos de alta carga de calor como parte de la estructura de generación de calor 12.

El agua pura tiene una resistividad eléctrica muy alta de aproximadamente 18, 2 millones de ohmios-cm, y el metanol puro tiene una resistividad eléctrica alta de, aproximadamente, 40 millones de ohmios-cm.... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para refrigerar una estructura de generación de calor (12) dispuesta en un entorno que tiene una presión ambiental, comprendiendo la estructura de generación de calor componentes electrónicos, comprendiendo el procedimiento:

proporcionar un refrigerante (16) ;

reducir una presión del refrigerante (16) a una presión subambiental a la cual el refrigerante (16) tiene una temperatura de ebullición inferior a una temperatura de la estructura de generación de calor (12) ;

poner en contacto entre sí la estructura de generación de calor (12) y el refrigerante a una presión subambiental, de modo que el refrigerante (16) hierva y se vaporice para de este modo absorber calor de la estructura de generación de calor (12) ;

caracterizado por la etapa de filtrar el refrigerante (16) utilizando un lecho de filtrado a una presión subambiental para mantener un nivel de pureza deseado y dotar al refrigerante de una resistividad eléctrica superior a un millón de ohmios-cm.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que refrigerante (16) es mantenido a una temperatura de 60 °C 15 antes de entrar en contacto con la estructura de generación de calor.

3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el refrigerante (16) es uno de agua pura y metanol puro.

4. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la presión del refrigerante (16) es reducida a menos de 101353 Pa (14, 7 psia)

5. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además circular

el refrigerante (16) a través de un bucle de flujo mientras se mantiene la presión del agua pura en un intervalo que tiene un límite superior inferior a la presión ambiental; preferiblemente el procedimiento comprende además configurar el bucle para que incluya un sistema de purificación de agua (34) ; y/o el procedimiento comprende además configurar el bucle para que incluya un intercambiador de calor (28) para retirar calor del agua pura de modo que se condense el agua pura en un líquido, provocando preferiblemente que el intercambiador de calor (28) transfiera calor del refrigerante (16) a un medio adicional que tiene una temperatura ambiente inferior a la temperatura de ebullición del refrigerante (16) a la presión subambiental; y/o el procedimiento comprende además configurar el bucle para que incluya una bomba (30) para circular el agua pura a través del bucle.

6. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que poner en contacto entre sí la estructura de generación de calor (12) y el refrigerante (16) comprende sumergir la estructura de generación de calor (12) en un baño de agua pura mientras que el agua pura está fluyendo.

7. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprende hacer fluir el refrigerante (16) sobre la estructura de generación de calor (12) , preferiblemente poner en contacto entre sí la estructura de generación de calor y el refrigerante comprende sumergir la estructura de generación de calor en el refrigerante comprende sumergir la estructura de generación de calor en un baño de agua pura mientras que el agua pura está fluyendo, preferiblemente sumergir la estructura de generación de calor en el refrigerante comprende además sumergir la estructura de generación de calor en un baño de agua pura que tiene una resistividad eléctrica superior a un millón de ohmios-cm.

8. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además configurar la estructura de generación de calor (12) para incluir una pluralidad de módulos electrónicos (54) y una malla porosa (60) acoplada a cada módulo electrónico, preferiblemente cada módulo electrónico está conectado eléctricamente a al menos otro de la pluralidad de módulos electrónicos (54) .

9. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además 45 configurar la estructura de generación de calor para incluir:

un bastidor (60) que tiene una pluralidad de huecos de bastidor;

una pluralidad de módulos (54) , dispuesto cada uno en huecos respectivos de los huecos de bastidor, comprendiendo cada módulo un conjunto de sustratos de circuito separados por regiones vacías a través de las cuales el refrigerante (16) puede fluir, comprendiendo cada sustrato de circuito: un sustrato; y al menos un circuito eléctrico dispuesto en el sustrato; preferiblemente configurar la estructura de generación de calor (12) incluye además proporcionar una pluralidad de aletas de apoyo que se extienden desde el sustrato.

10. Un aparato para refrigerar una estructura de generación de calor (12) dispuesta en un entorno que tiene una presión ambiental, comprendiendo el aparato:

un refrigerante (16) ;

un sistema de reducción de presión que funciona para reducir una presión del refrigerante (16) hasta una presión 10 subambiental a la cual el refrigerante (16) tiene una temperatura de ebullición inferior a una temperatura de la estructura de generación de calor; y un conjunto sumergido accionable para sumergir la estructura de generación de calor (12) en el refrigerante de tal modo que el calor de la estructura de generación de calor provoque que el refrigerante (16) hierva y se vaporice, de modo que refrigerante (16) absorba calor de la estructura de generación de calor (12) a medida que el refrigerante (16) cambia de estado;

un sistema de purificación que incluye un lecho de filtrado para filtrar el refrigerante a una presión subambiental para mantener un nivel de pureza deseado y dotar al refrigerante de una resistividad eléctrica superior a un millón de ohmios-cm.

11. El aparato de la reivindicación 9, en el que el sistema de purificación es accionable para mantener la pureza del refrigerante (16) a un nivel tal que el refrigerante (16) tenga una resistividad eléctrica superior a un millón de ohmios-cm; y/o comprende además un intercambiador de calor (28) para retirar calor del refrigerante (16) de modo que se condense el refrigerante en un líquido; y/o comprende además una bomba (30) para la circulación del refrigerante (16) .

12. El aparato de las reivindicaciones 10 u 11, que comprende además la estructura de generación de calor (12) , comprendiendo la estructura de generación de calor (12) una pluralidad de módulos electrónicos (54) y una malla porosa (60) acoplada a cada módulo electrónico, preferiblemente cada módulo electrónico está conectado eléctricamente con al menos otro de la pluralidad de módulos electrónicos (54) .

13. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 10 a 12, en el que la estructura de 30 generación de calor (12) comprende:

un bastidor (60) que tiene una pluralidad de huecos de bastidor; una pluralidad de módulos (54) , dispuesto cada uno en huecos respectivos de los huecos de bastidor, comprendiendo cada módulo un conjunto de sustratos de circuito separados por regiones vacías a través de las cuales puede fluir refrigerante (16) , comprendiendo cada sustrato de circuito:

un sustrato; y al menos un circuito eléctrico dispuesto en el sustrato; preferiblemente el aparato comprende además una pluralidad de aletas de apoyo que se extienden desde cada sustrato.

14. El aparato de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende además:

una malla porosa (60) ; y una pluralidad de módulos electrónicos (54) conectados a la malla porosa; preferiblemente el aparato comprende además al menos una interconexión que acopla electrónicamente uno de la pluralidad de módulos electrónicos (54) con al menos otro de la pluralidad de módulos electrónicos (54) , preferiblemente al menos uno de los módulos electrónicos (54) comprende una pluralidad de protuberancias conductoras térmicamente conectadas eléctricamente con la al menos una interconexión; y/o el aparato comprende además agua pura como el refrigerante (16) que tiene una resistividad eléctrica superior a un millón de ohmios-cm, la malla porosa (60) y la pluralidad de módulos electrónicos (54) sumergidos en el agua pura, preferiblemente el agua pura comprende agua pura que fluye con relación a la malla porosa (60) y a la pluralidad de módulos porosos (54) .

15. El aparato de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende además un bastidor (60) que tiene una pluralidad de huecos de bastidor; una pluralidad de módulos (54) dispuesto cada uno en huecos respectivos de los huecos de bastidor, comprendiendo cada módulo un conjunto de sustratos de circuito separados por regiones vacías a través de las cuales puede fluir refrigerante (16) , comprendiendo cada sustrato de circuito:

un sustrato; y al menos un circuito eléctrico dispuesto en el sustrato; preferiblemente el aparato comprende además agua pura como el refrigerante (16) , el bastidor (60) y la pluralidad de módulos (54) sumergidos en el agua pura; y/o el aparato comprende además metanol como el refrigerante (16) , el bastidor (60) y la pluralidad de módulos (24) 15 sumergidos en el metanol; y/o el refrigerante está a una presión inferior a 101353 Pa (14, 7 psia) .