Dispositivo de absorción térmica de material de cambio de fase.

Dispositivo de absorción térmica que comprende una estructura (S1, S2, S3, S3') que comprende una pluralidad de células

(2, 102, 202, 302) individuales, estando delimitada cada célula (2, 102, 202, 302) por una cubierta de un material que presenta una buena conductividad térmica y que contiene al menos un material de cambio de fase (MCF), comprendiendo dicha estructura una primera superficie (1) de extremo destinada a estar en contacto con una superficie que emite un flujo térmico (FT) que debe absorberse, estando compuesto dicho flujo térmico (FT) por al menos dos eventos térmicos de amplitudes diferentes y de frecuencias diferentes, comprendiendo dicha estructura (S1, S2, S3, S3') al menos un primer tamaño de célula y un segundo tamaño de célula, estando dicho dispositivo caracterizado porque dichas células (2, 102, 202, 302) están apiladas unas sobre otras desde dicha superficie de extremo de modo que la estructura (S1, S2, S3, S3') se extiende al menos a lo largo de la dirección del flujo térmico (FT), estando las células (2, 102, 202, 302) en contacto unas con otras por su cubierta, y porque la cantidad de material de cambio de fase en cada célula (102, 202, 302) es proporcional a su tamaño, en el que el primer tamaño de célula está determinado en función de la frecuencia del primer evento y el segundo tamaño de célula está determinado en función de la frecuencia del segundo evento y en el que la distribución entre el número de células de primer tamaño y el número de células de segundo tamaño está determinada en función de las amplitudes de los eventos primero y segundo, y en el que el primer tamaño de célula y el segundo tamaño de célula aumentan cuando la frecuencia del primer evento y la frecuencia del segundo evento disminuyen respectivamente y en el que el número de células de primer tamaño y el número de células de segundo tamaño aumentan cuando la amplitud del primer evento y la amplitud del segundo evento aumentan respectivamente.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2012/052219.

Solicitante: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 25, rue Leblanc, Bâtiment "Le Ponant D" 75015 Paris FRANCIA.

Inventor/es: Gavillet,Jérôme.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > INTERCAMBIO DE CALOR EN GENERAL > INTERCAMBIADORES DE CALOR, NO PREVISTOS EN NINGUNA... > Aparatos o plantas de acumulación de calor en general... > F28D20/02 (utilizando calor latente)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Detalles de dispositivos semiconductores o de otros... > H01L23/427 (Refrigeración por cambio de estado, p. ej. uso de tubos caloríficos)

PDF original: ES-2541756_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Dispositivo de absorción térmica de material de cambio de fase Campo técnico y técnica anterior

La presente invención se refiere a un dispositivo de absorción térmica de material de cambio de fase según el preámbulo de la reivindicación 1. Se conoce un dispositivo de este tipo por el documento US 27/9687A1, particularmente adaptado para la absorción del calor emitido por los sistemas en el campo de la electrónica, de la microelectrónica, de la electrónica de potencia. La invención se refiere también a un procedimiento de realización de

un dispositivo de este tipo.

Los componentes electrónicos son fuentes de emisiones múltiples de flujos de calor, pudiendo ser estos alternativamente transitorios y/o estacionarios según su estado de funcionamiento. En determinados casos de operación no controlada, la resultante de estos flujos de calor puede conducir a una desviación de temperatura positiva instantánea y momentánea con respecto a su temperatura nominal de funcionamiento. En determinados casos, esta desviación de temperatura pude conducir a un daño o a una pérdida de rendimiento del componente.

Por consiguiente, con el fin de garantizar el buen funcionamiento de los componentes electrónicos se requiere una evacuación planificada del calor.

Los flujos de calor presentan picos de amplitudes y periodos variables y frecuencias de aparición diferentes en el transcurso del funcionamiento del sistema electrónico, en función de su uso.

Existen dispositivos de tipo radiador que permiten evacuar de manera continua el calor emitido por los componentes, sin embargo no siempre pueden reaccionar cuando se emite un flujo de calor aleatorio. También existen circuitos de circulación de un caloportador en contacto con una cara del componente para extraer el calor por intercambio térmico. Estos circuitos son voluminosos y requieren medios para hacer circular el fluido. Además, al igual que antes, no siempre pueden de absorber una cantidad de calor emitido aleatoriamente. Ahora bien, entonces, es necesario sobredimensionar el circuito para poder absorber estos picos de emisión de flujos de calor.

Además, estos sistemas no pueden responder a una velocidad (o frecuencia) superior a la velocidad de aparición de la desviación de temperatura.

También existe un sistema que pone en práctica materiales de cambio de fase, como la parafina, para absorber el calor emitido por un panel fotovoltaico. El sistema se dispone sobre la cara del panel opuesta a la que recibe la radiación solar, y puede comprender aletas perpendiculares a esta cara y un material de cambio de fase dispuesto en los espacios entre las aletas. El calor emitido por el panel se transmite al material de cambio de fase; cuando la temperatura del panel es superior a la temperatura de cambio de fase del material, éste entra en fusión absorbiendo el calor emitido por el panel fotovoltaico.

No obstante, la cantidad de calor absorbida está limitada por la cantidad de material de cambio de fase que se encuentra en contacto con el panel.

Además, al presentar los materiales de cambio de fase una mala conductividad térmica, no es factible realizar sistemas que tengan un gran grosor de material de cambio de fase.

Además, un gran grosor de material no ofrece una velocidad de respuesta adaptada a las velocidades de aparición de desviación de temperatura. Además, con el fin de permitir de nuevo que el sistema absorba este calor, debe extraerse el calor almacenado por el material de cambio de fase. Ahora bien, en el caso de un gran grosor de material, esta extracción no es fácil.

Exposición de la invención

Por consiguiente, un objetivo de la presente invención es ofrecer un dispositivo optimizado de absorción de calor que pueda absorber flujos de calor emitidos por una fuente de calor que imponga condiciones transitorias múltiples de operación, pudiendo ser las condiciones transitorias simultáneas o desfasadas en el tiempo.

El objetivo planteado anteriormente se consigue mediante un dispositivo que comprende una pluralidad de células apiladas que contienen un material de cambio de fase, comprendiendo la estructura varios tamaños de célula, estando determinados estos tamaños de célula para absorber lo mejor posible los picos según su frecuencia de aparición, estando determinado el número de células en función de la amplitud relativa de los picos.

Según la invención, se ponen en práctica una pluralidad de células, cuyo tamaño es un parámetro de ajuste de la cinética del cambio de fase. En efecto, el material de cambio de fase contenido en una célula más grande se funde completamente en un tiempo más prolongado que el contenido en una célula más pequeña. Por consiguiente, para

picos que tengan un corto periodo de vida (frecuencia de régimen transitorio asociada elevada), células de pequeño tamaño absorben eficazmente el calor.

En otras palabras, el sistema se realiza en función de las características de frecuencia del flujo térmico que debe absorberse. Comprende una pluralidad de células compuestas por un conductor térmico y un material de cambio de fase, estando cada una de las zonas particularmente adaptada para absorber picos térmicos de frecuencia dada. Cada tamaño se elige de modo que responda lo mejor posible a las diferentes frecuencias de aparición de los flujos de calor.

De manera particularmente ventajosa, la estructura también comprende trayectorias de conducción térmica preferidas que se extienden en la dirección del flujo de calor de modo que el calor se distribuye de manera uniforme en el interior de la estructura y se permite una absorción del mismo por todas las células. Es posible así hacer que participe una gran cantidad de material de cambio de fase en un determinado grosor para extraer el calor, a pesar de su mala conductividad térmica.

Las células forman una estructura tridimensional.

Preferiblemente, las células están interconectadas, y su factor de llenado es inferior a la unidad, lo que permite que el material de cambio de fase se dilate durante su fusión.

De manera muy ventajosa están formados canales de circulación de un caloportador entre las células con el fin de extraer el calor absorbido porcada una de las células.

La presente invención tiene por tanto como objeto un dispositivo de absorción térmica que comprende una estructura que comprende una pluralidad de células individuales, estando delimitada cada célula por una cubierta de un material que presenta una buena conductividad térmica y que contiene al menos un material de cambio de fase, comprendiendo dicha estructura una primera superficie de extremo destinada a estar en contacto con una superficie que emite un flujo térmico que debe absorberse, estando compuesto dicho flujo térmico por al menos dos eventos térmicos de amplitudes diferentes y de frecuencias diferentes, estando dichas células apiladas unas sobre otras desde dicha superficie de extremo de modo que la estructura se extiende al menos a lo largo de la dirección del flujo térmico, estando las células en contacto unas con otras por su cubierta, comprendiendo dicha estructura al menos un primer tamaño de célula y un segundo tamaño de célula, siendo la cantidad de material de cambio de fase dentro de cada célula proporcional a su tamaño, en el que el primer tamaño de célula está determinado en función de la frecuencia del primer evento y el segundo tamaño de célula está determinado en función de la frecuencia del segundo evento y en el que la distribución entre el número de células de primer tamaño y el número de células de segundo tamaño está determinado en función de las amplitudes de los eventos primero y segundo. El primer tamaño de célula y el segundo tamaño de... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo de absorción térmica que comprende una estructura (S1, S2, S3, S3) que comprende una pluralidad de células (2, 12, 22, 32) individuales, estando delimitada cada célula (2, 12, 22, 32) por una cubierta de un material que presenta una buena conductividad térmica y que contiene al menos un material de cambio de fase (MCF), comprendiendo dicha estructura una primera superficie (1) de extremo destinada a estar en contacto con una superficie que emite un flujo térmico (FT) que debe absorberse, estando compuesto dicho flujo térmico (FT) por al menos dos eventos térmicos de amplitudes diferentes y de frecuencias diferentes, comprendiendo dicha estructura (S1, S2, S3, S3) al menos un primer tamaño de célula y un segundo tamaño de célula, estando dicho dispositivo caracterizado porque dichas células (2, 12, 22, 32) están apiladas unas sobre otras desde dicha superficie de extremo de modo que la estructura (S1, S2, S3, S3) se extiende al menos a lo largo de la dirección del flujo térmico (FT), estando las células (2, 12, 22, 32) en contacto unas con otras por su cubierta, y porque la cantidad de material de cambio de fase en cada célula (12, 22, 32) es proporcional a su tamaño, en el que el primer tamaño de célula está determinado en función de la frecuencia del primer evento y el segundo tamaño de célula está determinado en función de la frecuencia del segundo evento y en el que la distribución entre el número de células de primer tamaño y el número de células de segundo tamaño está determinada en función de las amplitudes de los eventos primero y segundo, y en el que el primer tamaño de célula y el segundo tamaño de célula aumentan cuando la frecuencia del primer evento y la frecuencia del segundo evento disminuyen respectivamente y en el que el número de células de primer tamaño y el número de células de segundo tamaño aumentan cuando la amplitud del primer evento y la amplitud del segundo evento aumentan respectivamente.

2. Dispositivo de absorción térmica según la reivindicación 1, en el que la frecuencia del segundo evento es inferior a la del primer evento, siendo el segundo tamaño de célula superior al primer tamaño de célula, y en el que las células (22, 32) de primer tamaño están situadas en el lado de la primera superficie (1) de extremo.

3. Dispositivo de absorción térmica según la reivindicación 1 ó 2, en el que el tamaño de las células (32, 22, 12) crece a lo largo de la dirección del flujo térmico desde la primera superficie de extremo.

4. Dispositivo de absorción térmica según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que las células (2, 12, 22, 32) están interconectadas de modo que se permite el paso de los materiales de cambio de fase de una célula a otra, estando las células ventajosamente interconectadas en la dirección del flujo térmico (FT).

5. Dispositivo de absorción térmica según una de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende al menos una trayectoria (8) de conducción térmica preferida que se extiende desde la primera superficie (1) de extremo en la dirección del flujo térmico entre las células (12, 22, 32), estando ventajosamente varias trayectorias (8) de conducción preferidas distribuidas uniformemente por la estructura (S2, S3).

6. Dispositivo de absorción térmica según la reivindicación 5, en el que el tamaño de la al menos una trayectoria (8) de conducción preferida representa del 2% al 1% del tamaño de la célula.

7. Dispositivo de absorción térmica según la reivindicación 5, en el que la al menos una trayectoria (8) de conducción preferida está formada por una porción de material conductor térmico situada entre las células (12, 22, 32) y que se extiende a lo largo de la dirección del flujo térmico, siendo la porción de material conductor térmico ventajosamente del mismo material que el de las paredes de las células, por ejemplo de cobre o de acero Maraging.

8. Dispositivo de absorción térmica según la reivindicación 7, en el que la porción de material conductor térmico y las cubiertas de las células en contacto con dicha porción son de una sola pieza.

9. Dispositivo de absorción térmica según una de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende medios (9) para extraer el calor latente almacenado en el material de cambio de fase.

1. Dispositivo de absorción térmica según la reivindicación 9, en el que los medios (9) para extraer el calor latente comprenden al menos un canal entre las células, en el que circula un caloportador.

11. Dispositivo de absorción térmica según la reivindicación 1, en el que la circulación del caloportador se controla en función de la aparición de un evento térmico.

12. Dispositivo de absorción térmica según una de las reivindicaciones 1 a 11, que comprende medios (5) para aislar térmicamente los bordes laterales del apilamiento.

13. Dispositivo de absorción térmica según una de las reivindicaciones 1 a 12, teniendo el al menos un material de cambio de fase puesto en práctica una temperatura de cambio de fase comprendida entre 52C y 352C.

14. Dispositivo de absorción térmica según una de las reivindicaciones 1 a 13, que comprende tres tamaños de células (12, 22, 32) de forma paralelepipédica, estando dispuestas las células de cada tamaño en una capa, estando las células interconectadas entre cada capa.

15. Procedimiento de realización de un dispositivo de absorción térmica según una de las reivindicaciones 1 a 14 destinado a absorber un flujo térmico (FT) de periodo (T) emitido por una fuente de calor, que comprende las etapas:

a) calcular a partir de la función representativa de dicho flujo térmico de periodo (T) un desarrollo limitado de orden n de funciones periódicas, por ejemplo sinusoidales, cada una de las cuales corresponde a una fuente de calor individual de frecuencia (n/T),

b) seleccionar funciones periódicas, por ejemplo sinusoidales, en las que la suma de las amplitudes es superior a un 1 porcentaje dado de la amplitud máxima del flujo térmico,

c) determinar el tamaño de las células en función de las frecuencias de las funciones seleccionadas, aumentando el tamaño de las células cuando la frecuencia de las funciones seleccionadas disminuye,

d) determinar la distribución del número de células de cada tamaño en función de la amplitud de las funciones seleccionadas, aumentando el número de células de cada tamaño cuando la amplitud de las funciones seleccionadas aumenta,

e) realizar un dispositivo dotado de células cuyo tamaño y el número corresponden a los determinados durante las 2 etapas c) y d).

16. Procedimiento de realización según la reivindicación 15, estando comprendido el porcentaje dado entre el 6 y el 98%.