Dispositivo pasivo de regulación térmica, que comprende al menos un bucle de transferencia térmica con bombeo capilar de un fluido caloportador,

comprendiendo dicho bucle (1) un evaporador (2) que comprende una masa (8) microporosa, y un condensador (3), destinados a estar en relación de intercambio térmico respectivamente con una fuente (4) caliente y una fuente (5) fría, y una tubería (6) que conecta el evaporador (2) al condensador (3) y que transporta el fluido caloportador esencialmente en fase de vapor del evaporador (2) hacia el condensador (3) y esencialmente en fase líquida del condensador (3) hacia el evaporador (2), comprendiendo la tubería un tubo (6) externo cerrado sobre sí mismo formando un bucle continuo, y que aloja la masa (8) microporosa de forma sensiblemente alargada y cilíndrica, que garantiza la circulación de fluido caloportador en fase líquida mediante bombeo capilar, bombeándose la fase líquida del fluido que procede del condensador (3) en un primer extremo (8c) longitudinal de dicha masa (8) microporosa del evaporador (2), y evacuándose la fase de vapor del fluido por el segundo extremo (8d) longitudinal de dicha masa (8) microporosa del evaporador (2), estando dicho primer extremo (8c) longitudinal alejado, mediante una primera parte (8a) longitudinal de dicha masa (8) microporosa, de una segunda parte (8b) longitudinal de dicha masa (8) microporosa, en relación de intercambio térmico con la fuente (4) caliente, caracterizado porque dicha primera parte (8a) longitudinal penetra en el interior de un manguito (9) térmicamente aislante situado en una porción de dicho tubo (6) externo, estando la cara externa de dicho manguito (9) en contacto con la cara interna de dicho tubo (6) externo, mientras que dicha segunda parte (8b) de masa microporosa está situada fuera de dicho manguito (9) y en contacto sin juego por su cara externa con la cara interna de dicho tubo (6) externo.

Sector de la técnica

La presente invención se refiere a un dispositivo de regulación térmica de al menos un microbucle de fluido con bombeo capilar que permite mejorar los rendimientos del o de los microbucles que comprende un dispositivo de este tipo. Estos dispositivos puramente pasivos de regulación térmica comprenden al menos un bucle de transferencia térmica con circulación de un fluido caloportador mediante bombeo capilar usado para la refrigeración de fuentes calientes, tales como componentes o conjuntos de componentes (circuitos) electrónicos.

Estado de la técnica

Según el estado de la técnica, un bucle de transferencia térmica comprende un evaporador destinado a extraer calor de una fuente caliente, y un condensador, destinado a restituir este calor a una fuente fría. El evaporador y el condensador están conectados mediante una tubería, en la que circula un fluido caloportador en estado líquido en la parte fría del bucle, y en estado gaseoso en la parte caliente de ese bucle. El dispositivo de la invención se refiere más particularmente a bucles de fluidos, cuyo bombeo del fluido caloportador se garantiza mediante capilaridad (bucle capilar). En este tipo de bucle, el evaporador está asociado a un depósito de fluido en estado líquido, y comprende una masa microporosa (también denominada mecha) que garantiza el bombeo del fluido mediante capilaridad. El fluido en fase líquida presente en el depósito asociado al evaporador se evapora en la masa microporosa bajo el efecto del calor procedente de la fuente caliente. El gas así creado se evacúa hacia el condensador, en contacto de intercambio térmico con la fuente fría y en el que se condense y vuelve en fase líquida hacia el evaporador, para crear así un ciclo de transferencia de calor.

El objeto de la presente invención se refiere a los dispositivos pasivos de regulación térmica con microbucles con bombeo capilar, destinados a la refrigeración de fuentes calientes tales como componentes y/o circuitos electrónicos. Según el estado de la técnica, tales componentes o circuitos electrónicos se particularizan por un tamaño reducido (espesor de 1 a 2 mm, superficie de 10 a 100 mm2, por ejemplo), y por fuertes densidades de potencia que deben evacuarse (más de 50 W/cm2, por ejemplo). Además, la variación de temperatura entre la unión del componente o circuito electrónico y la carcasa de dicho componente o circuito es muy grande (en un factor de 2 a 3) en relación con la variación de temperatura de la carcasa del componente o circuito y la temperatura de una base de una tarjeta en la que está implantado el componente o circuito. Un dispositivo de este tipo se conoce por el documento US 4.883.116. El dispositivo corresponde al preámbulo de la reivindicación 1.

El uso de un bucle de transferencia de calor con bombeo capilar del tamaño del componente o circuito, denominado microbucle, permite reducir ventajosamente la desviación de temperatura entre la unión del componente o circuito y la base de la tarjeta en la que está implantado, y así aumentar la fiabilidad del componente o circuito, aumentando la potencia disipada por ese componente o circuito.

Un microbucle de ese tipo con bombeo capilar se caracteriza porque sus dimensiones son reducidas (espesor normal de 1 a 2 mm, superficie normal de 10 a 100 mm2), con el fin de permitir su instalación lo más cerca posible, incluso en el interior, del componente o circuito.

Una de las limitaciones de los bucles de transferencia térmica en funcionamiento se encuentra en la cantidad, más o menos importante, de energía térmica que se transfiere hacia el depósito líquido, a través del evaporador.

Un primer efecto de este fenómeno parásito es el recalentamiento del líquido que circula en el bucle o contenido en el depósito del evaporador. Un segundo efecto parásito es la disminución del rendimiento térmico del bucle de transferencia, que es muy sensible a la temperatura de ese líquido. En efecto, un bucle de transferencia de este tipo transporta casi la totalidad de la energía mediante cambio de fase del fluido caloportador, y requiere, para funcionar, algunas frigorías para mantener en el estado líquido el fluido que circula del condensador hacia el evaporador. Un calentamiento, incluso parcial, de ese líquido por cualquier medio degrada por tanto de manera muy sensible el rendimiento de transferencia térmica del bucle, hasta dar lugar eventualmente a su completa parada.

Objeto de la invención

Para aliviar estos inconvenientes del estado de la técnica, la invención propone un dispositivo de bucle de fluido muy sencillo de realizar y que limita estos efectos parásitos al tiempo que mejora el rendimiento térmico de este tipo de bucle. El dispositivo según la invención también es ventajoso para bucles de fluidos de dimensión y de capacidad de transferencia térmica más importantes.

Para ello, el dispositivo pasivo de regulación térmica según la invención, que comprende al menos un bucle de transferencia térmica con bombeo capilar de un fluido caloportador, comprendiendo dicho bucle un evaporador que comprende una masa microporosa, y un condensador, destinados a estar en relación de intercambio térmico respectivamente con una fuente caliente y una fuente fría, y una tubería que conecta el evaporador al condensador y que transporta el fluido caloportador esencialmente en fase de vapor del evaporador hacia el condensador y esencialmente en fase líquida del condensador hacia el evaporador, comprendiendo la tubería un tubo externo cerrado sobre sí mismo formando un bucle continuo, y que aloja la masa microporosa de forma sensiblemente alargada y cilíndrica, que garantiza la circulación de fluido caloportador en fase líquida mediante bombeo capilar, se caracteriza porque la fase líquida del fluido procedente del condensador se bombea en un primer extremo longitudinal de dicha masa microporosa del evaporador, y la fase de vapor del fluido se evacúa por el segundo extremo longitudinal de dicha masa microporosa del evaporador, y dicho primer extremo longitudinal está alejado, mediante una primera parte longitudinal de dicha masa microporosa, de una segunda parte longitudinal de dicha masa microporosa, en relación de intercambio térmico con la fuente caliente, penetrando dicha primera parte longitudinal en el interior de un manguito térmicamente aislante situado en una porción de dicho tubo externo, estando la cara externa de dicho manguito en contacto con la cara interna de dicho tubo externo, mientras que dicha segunda parte de masa microporosa está situada fuera de dicho manguito y en contacto sin juego por su cara externa con la cara interna de dicho tubo externo, de manera que se garantiza la estanqueidad entre las fases líquida y de vapor del fluido.

Con el fin de garantizar un buen aislamiento, dicha primera parte de la masa microporosa penetra en dicho manguito aislante a lo largo de una distancia de una a varias veces el diámetro del tubo externo, cuando este último es cilíndrico de sección circular, y más generalmente a lo largo de una distancia de al menos una vez la dimensión mayor de la sección transversal del tubo externo, en los demás casos.

Ventajosamente para su realización, dicha masa microporosa está constituida por una sola pieza.

También ventajosamente, sus características de porosidad son homogéneas.

Ventajosamente, el manguito es de un material sintético denominado plástico, de manera que se protege la primera parte longitudinal de masa microporosa del evaporador de los flujos térmicos parásitos procedentes de la fuente caliente, y propagándose en la segunda parte longitudinal de masa microporosa del evaporador y en la porción del tubo externo a nivel del evaporador, con el fin de evitar cualquier calentamiento del fluido en fase líquida en contacto con la primer extremo longitudinal de la masa microporosa del evaporador.

También ventajosamente, la segunda parte de masa microporosa está perforada por un conducto ciego central y longitudinal que recoge la fase de vapor de dicho fluido calentado en dicha segunda parte de masa microporosa, y que se abre en dicho segundo extremo longitudinal de la masa microporosa, hacia el exterior de dicha masa y en el tubo externo, en dirección del condensador hacia el cual se evacúa la fase de vapor.

Preferiblemente, dicho conducto central se ensancha desde el interior de dicha masa microporosa hacia su segundo extremo longitudinal, de manera que el flujo de vapor recogido en el conducto central es más importante cuanto mayor es la sección transversal... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo pasivo de regulación térmica, que comprende al menos un bucle de transferencia térmica con bombeo capilar de un fluido caloportador, comprendiendo dicho bucle (1) un evaporador (2) que comprende una masa (8) microporosa, y un condensador (3), destinados a estar en relación de intercambio térmico respectivamente con una fuente (4) caliente y una fuente (5) fría, y una tubería (6) que conecta el evaporador (2) al condensador (3) y que transporta el fluido caloportador esencialmente en fase de vapor del evaporador (2) hacia el condensador (3) y esencialmente en fase líquida del condensador (3) hacia el evaporador (2), comprendiendo la tubería un tubo (6) externo cerrado sobre sí mismo formando un bucle continuo, y que aloja la masa (8) microporosa de forma sensiblemente alargada y cilíndrica, que garantiza la circulación de fluido caloportador en fase líquida mediante bombeo capilar, bombeándose la fase líquida del fluido que procede del condensador (3) en un primer extremo (8c) longitudinal de dicha masa (8) microporosa del evaporador (2), y evacuándose la fase de vapor del fluido por el segundo extremo (8d) longitudinal de dicha masa (8) microporosa del evaporador (2), estando dicho primer extremo (8c) longitudinal alejado, mediante una primera parte (8a) longitudinal de dicha masa (8) microporosa, de una segunda parte (8b) longitudinal de dicha masa (8) microporosa, en relación de intercambio térmico con la fuente (4) caliente, caracterizado porque dicha primera parte (8a) longitudinal penetra en el interior de un manguito (9) térmicamente aislante situado en una porción de dicho tubo (6) externo, estando la cara externa de dicho manguito (9) en contacto con la cara interna de dicho tubo (6) externo, mientras que dicha segunda parte (8b) de masa microporosa está situada fuera de dicho manguito (9) y en contacto sin juego por su cara externa con la cara interna de dicho tubo (6) externo.

2. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según la reivindicación 1, caracterizado porque el manguito (9) es de un material sintético denominado plástico.

3. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque dicha primera parte (8a) de la masa (8) microporosa penetra en dicho manguito a lo largo de una distancia de una a varias veces el diámetro del tubo (6) externo.

4. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicha masa (8) microporosa está constituida por una sola pieza.

5. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque las características de porosidad de dicha masa (8) microporosa son homogéneas.

6. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dicha segunda parte (8b) de masa (8) microporosa está perforada por un conducto (10) ciego central y longitudinal que recoge la fase de vapor de dicho fluido calentado en dicha segunda parte (8b) de masa microporosa, y que se abre en dicho segundo extremo (8d) longitudinal de la masa (8) microporosa, hacia el exterior de dicha masa (8) y en el tubo (6) externo, en dirección del condensador (3) hacia el cual se evacúa la fase de vapor.

7. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según la reivindicación 6, caracterizado porque dicho conducto (10) central se ensancha desde el interior de dicha masa (8) microporosa hacia su segundo extremo (8d) longitudinal.

8. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la cara interna de al menos la porción (9a) de extremo de dicho manguito (9) que está en contacto con dicha primera parte (8a) de masa microporosa comprende, a lo largo de toda su longitud y a lo largo de al menos una porción de su espesor, al menos un drenaje (17) capilar que permite a dicha fase líquida del fluido procedente del condensador (3) humedecer dicha primera parte (8a) de masa microporosa en contacto con dicho manguito (9).

9. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según la reivindicación 8, caracterizado porque dicho al menos un drenaje (17) capilar de la porción (9a) de extremo del manguito (9) en contacto con la primera parte (8a) de masa microporosa está constituido por al menos una ranura (16) sensiblemente longitudinal rebajada en la cara interna del manguito (9) y que lleva el líquido en contacto con la masa (8) microporosa.

10. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según la reivindicación 9, caracterizado porque se rebajan ranuras (16) de manera sensiblemente longitudinal en toda la periferia de la superficie interna del manguito (9), y su forma de sección transversal con abertura estrecha en dicha superficie interna del manguito (9) es favorable para el bombeo capilar del fluido caloportador.

11. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según la reivindicación 8, caracterizado porque dicho al menos un drenaje capilar de la porción (9a) de extremo del manguito (9) en contacto con la primera parte (8a) de masa microporosa está constituido por otra masa (18) microporosa, cuyos poros son más gruesos, preferiblemente con un radio de dos a diez veces más grande, que los de dicha masa (8) microporosa del evaporador (2).

12. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según la reivindicación 11, caracterizado porque dicha otra masa (18) microporosa es anular y rodea totalmente a dicha primera parte (8a) longitudinal de masa microporosa del evaporador (2) situada en el manguito (9).

13. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque dicho manguito (9) se prolonga hasta el condensador (3).

14. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según la reivindicación 13, junto con la reivindicación 8, caracterizado porque dicho al menos un drenaje (17) capilar se extiende del condensador

(3) al evaporador (2).

15. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según una de las reivindicaciones 13 y 14, caracterizado porque a nivel del condensador (3), se coloca otra masa (13) microporosa en el extremo (9b) correspondiente del manguito (9), de manera que se separa la fase de vapor de la fase líquida y se bombea la fase líquida hacia el evaporador (2).

16. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque la masa (8) microporosa del evaporador (2) presenta una longitud que es de 2 a 15 veces más importante que su diámetro.

17. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque dicho tubo (6) externo se realiza de un material buen conductor del calor, al menos en una parte de tubo (6) en relación de intercambio térmico con, por un lado, el evaporador (2) o el constituyente, y, por otro lado, dicha masa (8) microporosa del evaporador (2), y en otra parte de tubo (6) en relación de intercambio térmico con dicho condensador (3) o el constituyente.

18. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque dicho tubo (6) externo es metálico, preferiblemente de acero inoxidable

19. Dispositivo pasivo con microbucle de fluido con bombeo capilar, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque el tubo (6) externo es cilíndrico de sección circular de diámetro constante.

20. Aplicación de un dispositivo pasivo de regulación térmica que comprende al menos un bucle (1) de transferencia térmica según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19 a la transferencia de energía térmica de una fuente (4) caliente, tal como un componente o conjunto de componentes electrónicos, en relación de intercambio térmico con el evaporador (2), a una fuente (5) fría, en relación de intercambio térmico con el condensador (3).