Conmutador térmico/ eléctrico miniaturizado de alta conductividad.
Conmutador de gran conductividad, caracterizado por
una cavidad (213) hermética que comprende una primera pared (203) y una segunda pared (204),
en el que almenos la segunda pared (203) es un conjunto membrana (205), y la segunda pared (203) está adaptada paraquedar dispuesta con un espacio libre (102) con respecto a una estructura (210) de recepción;
un material (215) accionador térmico que llena una porción de la cavidad (213), en el que el material (215)accionador térmico está adaptado para cambiar el volumen con la temperatura; y
un material (216) conductor que llena una porción de la cavidad (213), el material (216) conductor proporciona unaestructura de transferencia de gran conductividad entre la primera pared (203) y la segunda pared (204); en el que
el material (215) accionador térmico está dispuesto para, tras un cambio de volumen inducido por temperatura,desplazar la segunda pared (204) de manera que el espacio libre (102) con respecto a la estructura (210) derecepción pueda ser puenteado.
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/SE2007/050030.
Solicitante: AAC MICROTEC AB.
Nacionalidad solicitante: Suecia.
Dirección: DAG HAMMARSKJOLDS VAG 54 B 751 83 UPPSALA SUECIA.
Inventor/es: STENMARK, LARS.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- B81B3/00 TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES. › B81 TECNOLOGIA DE LAS MICROESTRUCTURAS. › B81B DISPOSITIVOS O SISTEMAS DE MICROESTRUCTURA, p. ej. DISPOSITIVOS MICROMECANICOS (elementos piezoeléctricos, electroestrictivos o magnetoestrictivos en sí H01L 41/00). › Dispositivos que tienen elementos flexibles o deformables, p.ej. que tienen membranas o láminas elásticas (B81B 5/00 tiene prioridad).
- B81B7/00 B81B […] › Sistemas de microestructura.
- H01H1/00 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01H INTERRUPTORES ELECTRICOS; RELES; SELECTORES; DISPOSITIVOS DE PROTECCION DE EMERGENCIA (cables de contacto H01B 7/10; interruptores automáticos de tipo electrolítico H01G 9/18; circuitos de protección, de seguridad H02H; conmutación por medios electrónicos sin cierre de contactos H03K 17/00). › Contactos (contactos líquidos H01H 29/04).
- H01L23/427 H01 […] › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 23/00 Detalles de dispositivos semiconductores o de otros dispositivos de estado sólido (H01L 25/00 tiene prioridad). › Refrigeración por cambio de estado, p. ej. uso de tubos caloríficos.
PDF original: ES-2402071_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Conmutador térmico / eléctrico miniaturizado de alta conductividad
Campo técnico de la invención La presente invención se refiere a una estructura para el control térmico o eléctrico, en concreto para el control 5 térmico en aplicaciones espaciales.
Antecedentes de la invención En muchos dispositivos, en los que se genera una cantidad sustancial de calor, se necesita un control térmico activo con el fin de mantener la temperatura operativa deseada del dispositivo. Una solución habitual consiste en utilizar el aire de la atmósfera para el transporte del excesivo calor mediante el uso de sopladores o ventiladores electromecánicos. Es una solución eficaz pero algunas veces ruidosa, por lo que en muchas ocasiones es una solución preferente la conducción del calor mediante conductores de calor pasivos o activos hacia un radiador térmico. En particular, en aplicaciones espaciales, que operan en vacío, esta es la única solución si la radiación directa del calor hacia el espacio resulta imposible.
Por ejemplo, en el desarrollo de astronaves pequeñas pero muy eficientes con una densidad de energía eléctrica elevada, el control térmico se convierte en un aspecto de preocupación creciente. La masa térmica baja de una pequeña astronave hace necesario irradiar el calor excesivo cuando está en el modo activo pero, por otro lado, la parte interna de la astronave debe estar térmicamente aislada de las superficies del radiador externo cuando está en modo pasivo con el fin de mantener la temperatura interna en un nivel aceptable. Si los modos activo y pasivo están sincronizados con la entrada o salida de un eclipse (oscurecimiento terráqueo) el problema resulta incluso peor.
Para resolver el problema debe ser utilizado un sistema de control térmico activo con una capacidad de modulación del flujo calorífico.
Dicha modulación del flujo de calor se puede basar en una pluralidad de principios de diseño. Un líquido puede ser bombeado para que circule por el sistema transportando el calor desde la fuente hacia el radiador. Se utilizan unos tubos de calor pasivos (conductores térmicos extremadamente satisfactorios) o unos tubos de calor activos, en los 25 cuales se utiliza un líquido en fase de vapor dentro de un tubo para transportar el calor. La capacidad del transporte de calor en dicho tubo de calor está directamente relacionada con la temperatura del lado caliente. En algunas tuberías caloríficas activas variables, la capacidad de transporte de calor puede ser controlada mediante el control de la tasa de ebullición del líquido. Otra alternativa es la de los sistemas mecánicos en los que se utilizan unos conmutadores mecánicos con unos conductores térmicos de gran calidad, esto es, tubos de calor pasivos. El
conmutador mecánico crea un espacio libre con una conductividad térmica muy baja en el modo desactivado.
La modulación del flujo de calor es un parámetro clave para todos los sistemas de control térmico. En particular en pequeñas astronaves con una funcionalidad distribuida moderna, el sistema mecánico es de preferencia máxima debido a la sencillez, dado que los conmutadores de calor presentan una capacidad de modulación elevada, son compactos y presentan una masa reducida.
Un conmutador diseñado para una conductividad térmica elevada puede naturalmente ser de particular utilidad también como conductor eléctrico. Cuando se potencia al máximo para una conductividad eléctrica elevada, dicho conmutador puede ser utilizado como conmutador eléctrico de gran amperaje.
Sin embargo, en general, los conmutadores mecánicos según la técnica anterior presentan una capacidad de modulación del flujo de calor o una capacidad de conmutación de la corriente más bien bajas, especialmente en relación con su tamaño físico. En particular, dado que la tendencia es que otros componentes de la astronave u otros sistemas estén miniaturizados utilizando por ejemplo la Tecnología de Microsistemas (MST) o los Sistemas Microelectromecánicos (MEMS) , los conmutadores mecánicos convencionales resultan demasiado voluminosos e ineficientes o no pueden fácilmente ser implantados en dicho sistema miniaturizado.
El documento “JP 10 208726 A” divulga un fusible eléctrico con una cavidad cerrada de forma estanca (interior 2)
que comprende una primera pared (fondo de 2) y una segunda pared (2a) , en el que al menos la segunda pared (2a) es un conjunto de membrana (2a) , y la segunda pared (2a) está adaptada para quedar dispuesta con un espacio libre (entre 6 y 4) sobre una estructura (4) de recepción; un material (7) accionador térmico que llena una porción de la cavidad (interior 2) , en el que el material (7) accionador térmico está adaptado para modificar el volumen con la temperatura; y un material (4) conductor que llena una porción de la cavidad (interior 2) , el material (4) conductor
proporciona una estructura de transferencia de elevada conductividad, entre la primera pared (fondo de 2) y la segunda pared (2a) ; en el que el material (7) del accionador térmico está dispuesto para, tras un cambio del volumen inducido por la temperatura, desplazar la segunda pared (2a) de forma que el espacio libre (entre 6 y 4) respecto de una estructura (4) de recepción pueda ser puenteado (véase la figura 5) .
Sumario de la invención Evidentemente, la técnica anterior presenta inconvenientes con relación a su capacidad para proporcionar unos conmutadores de elevada conductividad térmicamente controlada con una capacidad de conmutación elevada en comparación con el tamaño físico del conmutador.
El objetivo de la presente invención es superar los inconvenientes de la técnica anterior. Esto se consigue mediante el dispositivo definido en la reivindicación 1.
El conmutador de elevada conductividad comprende una cavidad herméticamente cerrada con una primera pared y una segunda pared, en el que al menos la segunda pared es un conjunto membrana. La segunda pared está adaptada para quedar dispuesta con un espacio libre con respecto de una estructura de recepción. Un material 10 accionador térmico que está adaptado para cambiar el volumen con la temperatura llena una porción de la cavidad. Un material conductor llena otra porción de la cavidad. El material conductor proporciona una estructura de transferencia de gran conductividad entre la primera pared y la segunda pared. El material accionador térmico está dispuesto para, tras un cambio del volumen inducido por la temperatura, desplazar la segunda pared, de manera que el espacio libre con respecto de la estructura de recepción pueda ser puenteado, proporcionando un contacto de gran conductividad desde la primera pared hasta la estructura de recepción.
La cavidad puede estar formada dentro de unas obleas unidas, de modo preferente obleas de silicio, pero láminas de metal, de material cerámico, de polímero o de vidrio son ejemplos de otros materiales de obleas.
El cambio de volumen inducido por la temperatura puede, al menos parcialmente, ser provocado por un cambio de fase del material accionador, típicamente del estado líquido al sólido, producido a una temperatura o en un intervalo 20 de temperatura predefinido. La parafina es un material accionador preferente con dichas propiedades.
Para conseguir una estructura de transferencia calorífica flexible, el material conductor puede estar en fase líquida al menos a la temperatura de cambio de fase del material accionador. Pueden ser utilizados un metal o aleaciones de metal y ser mantenidos en una posición central dentro de la cavidad mediante la utilización de revestimientos con específicas propiedades humidificantes y/ o unos montantes de cierre que sobresalgan de al menos una oblea.
Las propiedades conductoras del conmutador de gran conductividad pueden potenciarse al máximo para el control térmico o eléctrico o mediante la elección de un material conductor con gran conectividad eléctrica o térmica. Un conmutador de acuerdo con la presente invención con una gran conductividad eléctrica puede estar provisto de un alimentador eléctrico pasante integrado en las obleas.
Gracias a la invención es posible proporcionar unos conmutadores mecánicos miniaturizados con una modulación 30 de activación/desactivación mejorada con respecto a una conductividad térmica y eléctrica elevadas.
Una ventaja del conmutador de acuerdo con la invención es que el conmutador puede estar dispuesto para ser automática y reversiblemente activado por el calor generado por la fuente de calor.
Formas de realización de la invención se definen en las reivindicaciones dependientes. Otros objetivos, ventajas y características distintivas novedosas de la invención se pondrán... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Conmutador de gran conductividad, caracterizado por
una cavidad (213) hermética que comprende una primera pared (203) y una segunda pared (204) , en el que al menos la segunda pared (203) es un conjunto membrana (205) , y la segunda pared (203) está adaptada para quedar dispuesta con un espacio libre (102) con respecto a una estructura (210) de recepción;
un material (215) accionador térmico que llena una porción de la cavidad (213) , en el que el material (215) 10 accionador térmico está adaptado para cambiar el volumen con la temperatura; y
un material (216) conductor que llena una porción de la cavidad (213) , el material (216) conductor proporciona una estructura de transferencia de gran conductividad entre la primera pared (203) y la segunda pared (204) ; en el que el material (215) accionador térmico está dispuesto para, tras un cambio de volumen inducido por temperatura, desplazar la segunda pared (204) de manera que el espacio libre (102) con respecto a la estructura (210) de 15 recepción pueda ser puenteado.
2. Conmutador de gran conductividad de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la cavidad (213) está formada dentro de una pila de al menos dos obleas (201, 202) unidas.
3. Conmutador de gran conductividad de acuerdo con la reivindicación 2, en el que las obleas (201, 202) están fabricadas de uno o de una combinación de los siguientes materiales: material semiconductor, silicio, material 20 cerámico, metal, aleación de metales, vidrio o polímero.
4. Conmutador de gran conductividad de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el cambio de volumen inducido por temperatura es al menos parcialmente provocado por un cambio de fase del material (215) accionador, produciéndose el cambio de fase a una temperatura de cambio de fase predefinida o en un intervalo de temperatura de cambio de fase predefinido.
5. Conmutador de gran conductividad de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el material (215) accionador es parafina.
6. Conmutador de gran conductividad de acuerdo con las reivindicaciones 4 o 5, en el que el material (216) conductor está en fase líquida al menos en la temperatura de cambio de fase del material (215) accionador térmico.
7. Conmutador de gran conductividad de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el material (216) conductor es 30 un metal o una aleación de metales.
8. Conmutador de gran conductividad de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que un revestimiento (209) cubre una porción de al menos una pared entre las primera y segunda paredes (203, 204) ; el material (216) conductor presenta un ángulo de humidificación menor sobre el revestimiento (209) del que presenta el material (215) accionador térmico; y el revestimiento (209) define la interfase (217) de confinamiento entre el
material (215) accionador térmico y el material (216) conductor.
9. Conmutador de gran conductividad de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que unos montantes (208) sobresalen de al menos una de las paredes (203, 204) , y los montantes (208) encierran el material (216) conductor con el material (215) accionador térmico en el exterior.
10. Conmutador de gran conductividad de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el 40 material (216) conductor presenta una gran conductividad térmica.
11. Conmutador de gran conductividad de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el material (216) conductor presenta una gran conductividad eléctrica.
12. Conmutador de gran conductividad de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que al menos una de las paredes (203, 204) presenta una alimentación transversal de gran conductividad.
13. Conmutador de gran conductividad de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que un elemento calefactor está integrado dentro de la cavidad (213) hermética.
14. Conmutador de gran conductividad de acuerdo con las reivindicaciones 11 o 12, en el que el espacio libre (102) y un volumen (107) que rodea el conmutador están llenos con un líquido dieléctrico.
15. Conmutador de gran conductividad de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el material (215) accionador se expande en la transición de sólido a líquido debido a un incremento de la temperatura.
16. Conmutador de gran conductividad de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el material (215) accionador se expande en la transición de líquido a sólido debido a una reducción de la temperatura.
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