Refrigeración híbrida.

Refrigeración híbrida para una unidad de placas de circuitos impresos,

con: al menos un disipador de calor (4)configurado de tal manera que pueda absorber calor de elementos constitutivos de potencia (1) que pueden sermontados en la superficie de una unidad de placas de circuitos impresos, presentando el disipador de calor unsector para la refrigeración por líquido y un sector para la refrigeración por aire, de tal manera que pueda entregarcalor tanto a un medio refrigerante gaseoso como a un medio refrigerante líquido, caracterizado porque el flujotérmico (32) a los sectores del disipador de calor (4) que son refrigerados por líquido está desligado del flujo térmico(33) a los sectores del disipador de calor (4) que son refrigerados por gas.

Refrigeración híbrida Ámbito de la invención La invención se refiere a una refrigeración híbrida para una unidad de placas de circuitos impresos para una máquina herramienta y un procedimiento para refrigerar una unidad de placas de circuitos impresos para una máquina herramienta.

Antecedente de la invención Cada vez con mayor frecuencia se exigen soluciones, por ejemplo, de electrónica de potencia a cuestiones que en el pasado, dado el caso, fueron solucionadas mediante medidas mecánicas o electromecánicas. Los costes de trabajo y materiales en continuo aumento, así como el volumen y peso de los conjuntos electrónicos se han convertido en el escollo principal de soluciones innovadoras. La participación en los costes extremadamente grandes son, la mayoría de las veces, el abastecimiento de conjuntos que generan una elevada producción de calor, por ejemplo los semiconductores de potencia, así como su montaje en dispositivos refrigeradores para la evacuación del calor producido; la fiabilidad de un conjunto es, actualmente, determinado, en particular, por la calidad de estas fases de trabajo manuales. Por este motivo, el aseguramiento de la calidad se encarece sustancialmente.

Es necesario que la fabricación, el control, la operación y el mantenimiento de tales conjuntos electrónicos puedan subsistir exitosamente en el entorno internacional. Para ello son necesarios costes de material y fabricación reducidos, pero también deben ser garantizadas las reparaciones, modificaciones y, finalmente, una eliminación acorde con las normas de la preservación del medio ambiente. Para poder reducir los costes de fabricación, los procesos de fabricación se deben tornar considerablemente más fiables. Además, es ventajoso que se puedan usar los mismos o similares módulos en productos caros y productos baratos.

Un desafío completamente nuevo se ha presentado en la construcción de máquinas herramienta cuando se desea reemplazar los armarios electrónicos por módulos que puedan, entonces, ser instalados directamente en la máquina. Debido a que las máquinas herramienta reaccionan frente al calor producido con dilataciones y retorcimientos, es necesario prestar especial atención a la evacuación del calor.

En el caso de máquinas para el mecanizado electroerosivo, la situación es particularmente complicada debido a que también es necesario instalar generadores de impulsos que producen calor en el rango de kilovatios.

Estado actual de la técnica Hace mucho tiempo que se ofrecen módulos en la técnica de propulsión y campos emparentados. La mayoría de las veces se trata de montajes en puente mono a trifásicos de elementos constitutivos de diodos, IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) o MOSFET (transistores de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico) en la forma de chips que están soldados sobre un sustrato especial de cobre-cerámica y contactados mediante hilos de unión. Sería factible equipar las realizaciones especiales de módulos de este tipo de dispositivos de refrigeración y junto con el sistema electrónico de control instalarlos en una caja.

La desventaja de esta solución es que el grado de integración de los módulos es demasiado pequeño para realizar circuitos complejos, y porque un fallo parcial en un módulo no puede ser reparado. En esta solución, muchos procesos manuales de calidad crítica, como la colocación de pasta electroconductora o conexiones roscadas delicadas, continúan existiendo. Tampoco está resuelto el problema del calor pérdido del sistema electrónico de control, que también puede ser considerable.

En las grandes series en la industria automovilística y en la técnica de propulsión se aplican cada vez con mayor frecuencia complejos módulos electrónicos de potencia de tecnología SMD (Surface Mount Device) , siendo los componentes SMD colocados en una cara de la placa de circuitos impresos; para la evacuación de calor, la cara inferior de la placa de circuitos impresos está pegada, la mayoría de las veces, a una placa metálica de base.

Dicha solución se ha dado a conocer por el documento EP 0 590 354 B1 y se muestra en la figura 3 como estado actual de la técnica. El módulo es conectado a un sistema de refrigeración por medio de una placa de base. Para refrigerar mejor los elementos de potencia se usan, la mayoría de las veces, capas de aislamiento especiales delgadas con una alta capacidad termocoductora.

Los módulos de este tipo representan un progreso, pero tienen la desventaja de que, por un lado, en energías disipadas mayores todavía no enfrían lo suficiente y, por otro lado, casi no son reparables porque en los procesos de reparación la placa de base maciza presenta tal reducción de calor que sin dañar todo el circuito es difícil alcanzar la temperatura de soldar de soldaduras sin plomo. Para poder presentar efectiva la capa de aislamiento

termoconductora, la misma se realiza con el menor espesor, lo que produce, lamentablemente, elevadas capacidades parásitas desfavorables y muy inconvenientes para tensiones y frecuencias más altas.

Una variante de dicha solución presenta dos placas de circuitos impresos pegadas con un núcleo de más o menos 1 mm a 5 mm de aluminio o cobre, y que también pueden ser provistas de contactos aislados entre las dos placas de circuitos impresos. Las principales desventajas nombradas continúan existiendo, pero, adicionalmente, los elementos constitutivos hacia el centro de la placa de circuitos impresos son considerablemente menos refrigerados por causa de la conducción térmica lateral limitada de la placa de circuitos impresos gracias a que el calor sólo puede ser disipado por los bordes de la placa de circuitos impresos.

La figura 2 muestra una estructura típica conocida de un elemento de potencia T0247 cableado de la firma AAVID THERMALLOY, aplicado por presión mediante un clip metálico, sin aislamiento eléctrico, sobre un perfil disipador de calor. Debido al aislamiento eléctrico faltante se pueden presentar reparticiones de potencial desfavorables.

En la solicitud de patente EP 06 02 2498 se a conocer una placa de circuitos impresos con un refrigerador por líquido integrada directamente, que puede ser fabricado con los procedimientos de fabricación actuales de placas de circuitos impresos. El contenido de dicha solicitud de patente se incorpora, con referencia, a la presente solicitud. En la placa de circuitos impresos se han embutido insertos de cerámica para una mejor conducción térmica entre elementos SMD de elevada carga térmica. La figura 4 muestra esta estructura como estado actual de la técnica.

Esta solución cumple con las exigencias para la moderna fabricación en grandes series, pero requiere, en parte, pasos de fabricación que para las plazas industriales menos desarrolladas tecnológicamente pueden constituir un serio escollo. Otra desventaja de esta solicitud de patente es el hecho de que una refrigeración por aire está excluida desde el principio. Ello se puede manifestar de manera desventajosa sobre los costes de fabricación de productos de bajo precio. Un problema adicional se presenta en una sobrecarga con excursiones térmicas inadmisibles de elementos de potencia. Tales fallos pueden producir una deslaminación de las distintas capas de la placa de circuitos impresos y la formación de ampollas y, de esta manera, provocar la pérdida total de potencia del módulo.

Por el documento US 2007/0002538 A1 se conoce un refrigerador híbrido para un ordenador portátil. En dicho refrigerador híbrido se enfría una placa de circuitos impresos mediante un agente refrigerante líquido. El disipador de calor con refrigeración por líquido tiene conectado aguas abajo un intercambiador de calor en el que el líquido refrigerante puede entregar calor al aire.

Objetivo de la invención Respecto del estado actual de la técnica, la invención tiene el objetivo de poner a disposición una refrigeración para una unidad de placas de circuitos impresos para una máquina herramienta y un procedimiento de refrigeración apropiado que asegure una suficiente evacuación del calor perdido de elementos constitutivos que pueden ser montados en la superficie. Ello debe ser conseguido, preferentemente, mediante medidas sencillas.

Resumen de la invención Un primer aspecto de la presente invención se refiere a una refrigeración híbrida para una unidad de placas de circuitos impresos para una máquina herramienta, con al menos un disipador de calor configurado de tal manera que pueda absorber calor de elementos constitutivos de potencia que pueden ser montados en la superficie de una unidad de placas de circuitos impresos, presentando el disipador de calor un sector para la refrigeración por líquido y un sector... [Seguir leyendo]

1. Refrigeración híbrida para una unidad de placas de circuitos impresos, con: al menos un disipador de calor (4) configurado de tal manera que pueda absorber calor de elementos constitutivos de potencia (1) que pueden ser montados en la superficie de una unidad de placas de circuitos impresos, presentando el disipador de calor un sector para la refrigeración por líquido y un sector para la refrigeración por aire, de tal manera que pueda entregar calor tanto a un medio refrigerante gaseoso como a un medio refrigerante líquido, caracterizado porque el flujo térmico (32) a los sectores del disipador de calor (4) que son refrigerados por líquido está desligado del flujo térmico (33) a los sectores del disipador de calor (4) que son refrigerados por gas.

2. Refrigeración híbrida según la reivindicación 1, en la cual el sector para la refrigeración por líquido presenta al menos un canal (9) .

3. Refrigeración híbrida según las reivindicaciones 1 o 2, en la cual el sector para la refrigeración por aire presenta un perfil dispador de calor (4) .

4. Refrigeración híbrida según una de las reivindicaciones 1 a 3, en la cual el medio refrigerante líquido comprende el dieléctrico refrigerante de la máquina herramienta.

5. Refrigeración híbrida según la reivindicación 2, en la cual en los canales (9) están dispuestos unos tubos refrigerantes (10) .

6. Refrigeración híbrida según la reivindicación 5, en la cual los tubos refrigerantes son de paredes tan delgadas que se adaptan a los canales (9) mediante conformación elástica.

7. Refrigeración híbrida según la reivindicación 3, en la cual el perfil disipador de calor está configurado de tal manera que se produce un efecto de chimenea en el medio refrigerante gaseoso que rodea el perfil disipador de calor.

8. Refrigeración híbrida según una de las reivindicaciones precedentes que presenta, además, un soplante para el suministro de aire refrigerante y/o evacuación de aire refrigerante.

9. Refrigeración híbrida según una de las reivindicaciones precedentes, en la cual el disipador de calor (4) presenta conformaciones positivas y negativas respectivas (14, 15; 24, 25; 34, 35) , de manera que múltiples unidades de placas de circuitos impresos, con las cuales está conectado el disipador de calor, puedan ser apiladas de tal manera que las conformaciones puedan ser unidas agarrando una en la otra.

10. Refrigeración híbrida según una las reivindicaciones 3 o 4, en la cual el disipador de calor está configurado de tal manera que pueda alojar al menos un clip elástico (23) de tal manera que los tubos refrigerantes (10) sean insertados a presión en los canales (9) del disipador de calor (4) .

11. Refrigeración híbrida según una de las reivindicaciones precedentes, en la cual el disipador de calor (4) presenta una escotadura para el alojamiento de una parte de un clip (5) , de manera que el clip ejerza sobre el elemento constitutivo de potencia (1) que puede ser montado a una superficie, una presión de contacto cuando el disipador de calor (4) está conectado con la unidad de placas de circuitos impresos.

12. Refrigeración híbrida según la reivindicación 11, en la cual la escotadura para el alojamiento del clip (5) presenta una estructura superficial apropiada para aumentar la fricción entre la parte alojada del clip (5) y el sector de alojamiento.

13. Procedimiento para la refrigeración de una unidad de placas de circuitos impresos para una máquina herramienta en la cual un disipador de calor (4) que absorbe el calor de al menos un elemento de potencia (1) que puede ser montado a una superficie, que está montado en la unidad de placas de circuitos impresos, enfriado tanto mediante un medio refrigerante gaseoso como mediante un medio refrigerante líquido, caracterizado porque el flujo térmico (32) a los sectores del disipador de calor (4) que son refrigerados por líquido está desligado del flujo térmico

(33) a los sectores del disipador de calor (4) que son refrigerados por gas.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, en la cual como medio refrigerante se usa del dieléctrico de una máquina herramienta.