PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO DE INTERCAMBIO TÉRMICO BIFÁSICO CON BOMBA DE ENGRANAJES EN RODAMIENTOS.

Procedimiento de intercambio térmico de tipo bifásico en el cual:



- se utiliza un fluido caloportador que tiene una viscosidad inferior a la del agua y es susceptible de presentarse al menos parcialmente en estado líquido y al menos parcialmente en estado de vapor,

- se impulsa por bombeo a dicho fluido caloportador desplazándolo en un circuito (13, 17) que comprende medios de intercambio térmico (15, 18) con al menos una fuente fría (19) y al menos una fuente caliente (16) externas al circuito, cambiando dicho fluido caloportador al menos parcialmente de estado al establecer contacto con dichos medios de intercambio térmico (15, 18),

caracterizado por el hecho de que se utilizan medios de bombeo que comprenden una bomba de engranajes (14) que incluye:

- un cárter (22),

- al menos dos piñones (30, 31) de dentado exterior recto que cooperan en engrane uno con el otro sin desviación,

- estando cada piñón (30, 31) montado de forma tal que es solidario de un árbol (32, 33) que ES guiado en rotación y alineado con respecto al cárter (22) por rodamientos (34, 35),

- siendo los árboles (32, 33) de los piñones paralelos uno al otro,

- medios de acoplamiento de al menos uno de los árboles de los piñones a un motor de accionamiento (20) que está adaptado para accionar a dicho árbol en rotación a una velocidad de menos de 250 revoluciones por minuto,

- en el cárter (22), una cámara (26) de bombeo y de circulación del fluido caloportador, estando esta cámara (26) delimitada por paredes internas que contienen a los piñones (30, 31) y comprenden al menos una entrada (38) de admisión del fluido caloportador a un lado del engrane de los piñones (30, 31) y al menos una salida (39) de descarga del fluido caloportador al otro lado del engrane de los piñones (30, 31),

- habiendo radial y axialmente juegos entre las paredes internas de dicha cámara (26) y los piñones (30, 31), siendo estos juegos todos ellos inferiores a una centésima de milímetro y quedando dichos juegos en funcionamiento llenados con fluido caloportador.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E10164158.

Solicitante: CENTRE NATIONAL D'ETUDES SPATIALES (C.N.E.S.).

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 2, PLACE MAURICE QUENTIN 75039 PARIS CEDEX 01 FRANCIA.

Inventor/es: Casteras,Christophe, Coste,Xavier, Larue de Tournemine,Amaury.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B64G1/50 SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B64 AERONAVES; AVIACION; ASTRONAUTICA.B64G ASTRONAUTICA; VEHICULOS O EQUIPOS A ESTE EFECTO (aparatos o métodos para obtener materiales de fuentes extraterrestres E21C 51/00). › B64G 1/00 Vehículos espaciales. › para el control de la temperatura (control de la temperatura en general G05D 23/00).
  • F04C13/00 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F04 MAQUINAS DE LIQUIDOS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO; BOMBAS PARA LIQUIDOS O PARA FLUIDOS COMPRESIBLES.F04C MAQUINAS DE LIQUIDOS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO DE PISTON ROTATIVO U OSCILANTE (motores movidos por líquidos F03C ); BOMBAS PARA LIQUIDOS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO DE PISTON ROTATIVO U OSCILANTE (bombas de inyección de combustible para motores F02M). › Adaptaciones de las máquinas o bombas para uso especial, p. ej. para muy alta compresión (de bombas especialmente adaptadas para fluidos compresibles F04C 25/00).
  • F04C2/14 F04C […] › F04C 2/00 Máquinas o bombas de pistón rotativo (con los ejes de los órganos cooperantes no paralelos F04C 3/00; con las paredes de la cámara de trabajo que se deforman al menos parcialmente por resiliencia F04C 5/00; con anillo de fluido o similar F04C 7/00; bombas de pistón rotativo especialmente adaptadas a fluidos compresibles F04C 18/00, F04C 19/00; máquinas o bombas de pistón rotativo en las cuales el fluido energético se desplaza exclusivamente por uno o más pistones alternativos o se desaloja por ellos F04B). › con pistones rotativos dentados.

PDF original: ES-2376382_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Procedimiento y dispositivo de intercambio térmico bifásico con bomba de engranajes en rodamientos [0001] La invención se refiere a un procedimiento y un dispositivo de intercambio térmico del tipo bifásico, es decir, que comprende un fluido caloportador susceptible de presentarse al menos parcialmente en estado líquido y al menos parcialmente en estado de vapor.

Ya se han propuesto procedimientos y dispositivos de intercambio térmico de este tipo, que comprenden medios de bombeo del fluido caloportador para impulsarlo desplazándolo en un circuito que comprende medios de intercambio térmico con al menos una fuente fría y al menos una fuente caliente externas a este circuito, cambiando dicho fluido caloportador al menos parcialmente de estado al establecer contacto con al menos una parte de dichos medios de intercambio térmico. Al estar el circuito en general en forma de bucle (estando el fluido caloportador continuamente en una red hidráulica cerrada) , se habla de “bucle bifásico”.

Un bucle bifásico de este tipo presenta en teoría numerosas ventajas, en particular en las aplicaciones espaciales, y más en general en todas las aplicaciones en las que se persigue una gran eficacia de intercambio térmico en términos de potencia transportada, de densidad de potencia intercambiada, de eficacia de los intercambios térmicos y, en conjunto, de una gran compacidad y de una masa mínima.

En particular los sistemas espaciales incorporan componentes -sobre todo electrónicos - que disipan calor y deben ser refrigerados para mantenerlos dentro de márgenes de temperatura cada vez más estrechos al disipar dichos componentes potencias cada vez más importantes. Así pues, resultan ser insuficiencias los medios de control térmico pasivo (principalmente por conducción y/o irradiación) . Para paliar estas insuficientes se utilizan tradicionalmente caloductos que presentan la ventaja de una fiabilidad y de una longevidad o tiempo de vida mayor que la de los bucles de fluido caloportador que incorporan bombas mecánicas.

Los caloductos presentan sin embargo inconvenientes: Para probarlos en tierra, es necesario colocarlos con una pequeña inclinación que no necesariamente corresponde a la configuración de vuelo, lo cual es perjudicial para la representatividad de los ensayos; requieren un dimensionado a medida al proceder a su integración en cada sistema espacial; su rigidez es una limitación que plantea problemas al proceder a su integración, que a veces es difícil o incluso imposible; son muy sensibles a los gases incondensables que producen, y su eficacia y sus características se ven considerablemente afectadas por estos grases incondensables; y presentan una baja capacidad de transporte de potencia térmica. En consecuencia, aparte de los caloductos se ha propuesto la utilización de dispositivos de intercambio térmico que comprenden uno o varios bucles de fluido caloportador en asociación con un dispositivo de bombeo de tipo capilar o mecánico.

Los dispositivos de bombeo de tipo capilar tienen una baja capacidad de transporte, en particular para los ensayos en tierra en presencia de la gravedad; son complejos de cebar; y toleran mal los modos de funcionamiento extremo (cuando la potencia transportada deviene muy baja o bien en presencia de gases incondensables) .

En la práctica se han utilizado dispositivos de bombeo mecánico realizados en forma de una bomba centrífuga en ciertas misiones habitadas (vehículos, cápsulas, estaciones …) para el funcionamiento de bucles de fluido caloportador monofásico.

En los casos muy raros de misiones no habitadas en las que se ha seleccionado un bombeo mecánico, se ha optado también por un bombeo centrífugo. Por ejemplo, se ha rechazado la utilización de una bomba de desplazamiento positivo en beneficio de una bomba centrífuga, para el bucle de control térmico de la sonda marciana “Pathfinder”, que estaba cualificada para un tiempo de vida de varios meses.

Por otro lado, una bomba centrífuga (o más en general una bomba de tipo rotodinámico) no es apropiada en el caso de un bucle de fluido caloportador bifásico para el control térmico de un sistema espacial tal como un satélite comercial, puesto que la misma presenta un importante consumo eléctrico y unas importantes dimensiones exteriores y es de un coste elevado. Su caudal es muy sensible a la pérdida de carga. Ahora bien, esta pérdida de carga puede cambiar en estado de microgravedad y puede ser muy distinta en estado de ingravidez, lo cual provoca una variación de caudal que es inaceptable para el control térmico de un sistema espacial tal como un satélite.

El bombeo de un fluido caloportador en un bucle bifásico, en particular en un sistema espacial, impone unas características funcionales particularmente severas de entre las cuales pueden citarse las siguientes: una altura de bombeo de varios metros; una capacidad de cebado con un fluido caloportador al menos parcialmente en fase gaseosa; una compatibilidad con la utilización de fluidos caloportadores tales como el amoníaco, que son en su mayor parte corrosivos y de muy baja viscosidad; una resistencia a una elevada presión estática (que puede llegar a ser de hasta 160.105 Pa con deformación permanente y de hasta 80.105 Pa sin deformación permanente) ; un caudal de varios gramos por segundo; un margen de temperatura de funcionamiento de entre -50º C y 75º C; un reducido consumo EP 2264317

energético y unas reducidas dimensiones exteriores; y un tiempo de vida garantizado sin mantenimiento de varios años, y en particular del orden de 10 a 15 años. Además, debe ser posible hacer variar la potencia transportada dentro de un gran margen de valores, y regular fácilmente el caudal (es decir, a partir de un sistema electrónico sencillo, fiable y poco voluminoso) sin afectar a la sobrepresión descargada por la bomba.

Las bombas de desplazamiento positivo (bombas de pistón alternativo, bombas de diafragma, bombas de lumbrera deslizante o externa, bombas de placa inclinada y pistones, bombas de órgano (s) flexible (s) y/o deformable (s) , bombas de engranajes interiores o exteriores, bombas de lóbulos, bombas de pistones rotativos circunferenciales, bombas de husillo …) incorporan numerosas piezas móviles en contacto dinámico (órganos de bombeo de desplazamientos alternativos tales como pistones u órganos deformables) que están sujetas a desgaste, y requieren válvulas de entrada y de salida, así como piezas de transmisión del movimiento al órgano de bombeo. El tiempo de vida de todos estos elementos no puede determinarse en tierra más que por medio de ensayos del tiempo de vida, que son generalmente estadísticos. Además, se considera que los rendimientos de este tipo de bomba varían considerablemente según el desgaste y empeoran por lo tanto con el paso del tiempo. Además generan importantes limitaciones en cuanto a los materiales, a las vibraciones y a los desequilibrios de fuerzas.

Así, hasta la fecha se considera que las bombas de desplazamiento positivo no pueden cualificar para las aplicaciones espaciales de largo tiempo de vida, ni para las otras aplicaciones en las cuales se plantean los mismos problemas.

La FR 2824366, de la que se considera que es la que da a conocer el más cercano estado de la técnica, describe la utilización de una bomba de lóbulos (y no de engranajes, como se indica en el texto de este documento) con cojinetes lisos sin lubricante en un bucle bifásico. Sin embargo, la solución seleccionada no es satisfactoria por varias razones. Una bomba de este tipo necesariamente incorpora piezas que experimentan rozamiento de unas contra otras e inducen importantes desgastes que son difíciles de controlar. Además, su fabricación es particularmente delicada de poner a punto y de realizar con una suficiente precisión. En la práctica, a una bomba de este tipo no se la puede cualificar con un suficiente tiempo de vida y para proporcionar los rendimientos que se han mencionado anteriormente. En efecto, los rendimientos exigidos no pueden ser obtenidos más que mediante una minimización y un dominio de los juegos funcionales para todo el tiempo de vida de la bomba. Ahora bien, el desgaste de los cojinetes de guía o de las piezas que están en contacto deslizante necesariamente genera un incremento de tales juegos y por consiguiente el empeoramiento de los rendimientos hidráulicos, tales como los caudales y las presiones, o incluso el bloqueo de la bomba.

La EP 1040274 propuso por otro lado una solución en la cual la bomba comprende un fuelle... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento de intercambio térmico de tipo bifásico en el cual:

- se utiliza un fluido caloportador que tiene una viscosidad inferior a la del agua y es susceptible de presentarse 5 al menos parcialmente en estado líquido y al menos parcialmente en estado de vapor,

- se impulsa por bombeo a dicho fluido caloportador desplazándolo en un circuito (13, 17) que comprende medios de intercambio térmico (15, 18) con al menos una fuente fría (19) y al menos una fuente caliente (16) externas al circuito, cambiando dicho fluido caloportador al menos parcialmente de estado al establecer contacto con dichos medios de intercambio térmico (15, 18) ,

caracterizado por el hecho de que se utilizan medios de bombeo que comprenden una bomba de engranajes (14) que incluye:

- un cárter (22) ,

- al menos dos piñones (30, 31) de dentado exterior recto que cooperan en engrane uno con el otro sin desviación,

- estando cada piñón (30, 31) montado de forma tal que es solidario de un árbol (32, 33) que ES guiado en rotación y alineado con respecto al cárter (22) por rodamientos (34, 35) ,

- siendo los árboles (32, 33) de los piñones paralelos uno al otro, -medios de acoplamiento de al menos uno de los árboles de los piñones a un motor de accionamiento (20) que está adaptado para accionar a dicho árbol en rotación a una velocidad de menos de 250 revoluciones por

minuto,

- en el cárter (22) , una cámara (26) de bombeo y de circulación del fluido caloportador, estando esta cámara (26) delimitada por paredes internas que contienen a los piñones (30, 31) y comprenden al menos una entrada (38) de admisión del fluido caloportador a un lado del engrane de los piñones (30, 31) y al menos una salida (39) de descarga del fluido caloportador al otro lado del engrane de los piñones (30, 31) ,

- habiendo radial y axialmente juegos entre las paredes internas de dicha cámara (26) y los piñones (30, 31) , siendo estos juegos todos ellos inferiores a una centésima de milímetro y quedando dichos juegos en funcionamiento llenados con fluido caloportador.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que se acciona la bomba de 30 engranajes (14) a una velocidad de rotación de menos de 250 revoluciones por minuto.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por el hecho de que al ser dicho fluido caloportador amoníaco, se acciona la bomba de engranajes (14) a una velocidad de rotación adaptada para que la bomba de engranajes (14) descargue un caudal de fluido caloportador sensiblemente constante comprendido entre 1 g/seg. y 100 g/seg., y en particular del orden de 10 g/seg.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que se utiliza una bomba (14) en la cual cada árbol (32, 33) de piñón es guiado con respecto al cárter (22) únicamente por rodamientos (34, 35) que cooperan con una placa (27) única solidaria del cárter y con una parte del árbol (32, 33) que se extiende a un solo lado del piñón (30, 31) .

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que se utiliza una bomba (14) en la cual cada árbol (32, 33) de piñón es guiado con respecto al cárter (22) por dos rodamientos a bolas (34a, 34b; 35a, 35b) que se tocan.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de que se utiliza una bomba (14) en la cual los dos rodamientos (34a, 34b; 35a, 35b) están en contacto oblicuo y montados con apriete axial de uno contra el otro con una precarga axial.

50 7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que el fluido caloportador es susceptible de ser corrosivo, y de que se utiliza una bomba (14) en la cual cada rodamiento (34, 35) comprende órganos rodantes (71a, 71b; 72a, 72b) de los cuales al menos las superficies externas están hechas de un material que es elegido de entre los miembros del grupo que consta de los materiales no metálicos, en particular de cerámica, y los materiales metálicos inoxidables.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por el hecho de que se utiliza una bomba (14) en la cual las piezas de la bomba que son susceptibles de entrar en contacto con el fluido caloportador están hechas de un material resistente a la corrosión y/o presentan un revestimiento superficial resistente a la corrosión, y en particular un revestimiento superficial realizado por deposición química de níquel 60 metálico.

9. Dispositivo de intercambio térmico de tipo bifásico que comprende:

- un fluido caloportador que tiene una viscosidad inferior a la del agua y es susceptible de presentarse al menos parcialmente en estado líquido y al menos parcialmente en estado de vapor,

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- medios de bombeo de dicho fluido caloportador que son aptos para impulsarlo desplazándolo en un circuito (13, 17) que comprende medios de intercambio térmico (15, 128) con al menos una fuente fría (19) y al menos una fuente caliente (16) externas al circuito, cambiando dicho fluido caloportador al menos parcialmente de estado al establecer contacto con dichos medios de intercambio térmico (15, 18) ,

caracterizado por el hecho de que dichos medios de bombeo comprenden una bomba de engranajes (14) que incluye:

- un cárter (22) , -al menos dos piñones (30, 31) de dentado exterior recto que cooperan en engrane uno con el otro sin desviación, - estando cada piñón (30, 31) montado de forma tal que es solidario de un árbol (32, 33) que es guiado en rotación y alineado con respecto al cárter (22) por rodamientos, - siendo los árboles (32, 33) de los piñones paralelos uno al otro, -medios de acoplamiento de al menos uno (32) de los árboles de los piñones a un motor de accionamiento (20) que está adaptado para accionar a dicho árbol en rotación a una velocidad de menos de 250 revoluciones por minuto,

- en el cárter (22) , una cámara (26) de bombeo y de circulación del fluido caloportador, estando esta cámara (26) delimitada por paredes internas que contienen a los piñones (30, 31) y comprenden al menos una entrada (38) de admisión del fluido caloportador a un lado del engrane de los piñones (30, 31) y al menos una salida (39) de descarga del fluido caloportador al otro lado del engrane de los piñones (30, 31) ,

- habiendo radial y axialmente juegos entre las paredes internas de dicha cámara (26) y los piñones (30, 31) , siendo estos juegos todos ellos inferiores a la centésima de milímetro y quedando dichos juegos en funcionamiento llenados con fluido caloportador.

10. Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que cada árbol (32, 33) de piñón de la bomba (14) es guiado con respecto al cárter (22) únicamente por rodamientos (34, 35) que cooperan con una placa (27) única solidaria del cárter y con una parte del árbol (32, 33) que se extiende a un solo lado del piñón (30, 31) .

11. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado por el hecho de que cada árbol (32, 33) de piñón de la 30 bomba (14) es guiado con respecto al cárter (22) por dos rodamientos a bolas (34a, 34b; 35a, 35b) que se tocan.

12. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que los dos rodamientos (34a, 34b; 35a, 35b) de la bomba (14) son montados con apriete axial de uno contra el otro con una precarga axial.

13. Dispositivo según una de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado por el hecho de que el fluido caloportador es susceptible de ser corrosivo, y de que cada rodamiento (34, 35) de la bomba (14) comprende órganos rodantes (71a, 71b; 72a, 72b) de los cuales al menos las superficies externas están hechas de un material que se elige de entre los miembros del grupo que consta de los materiales no metálicos, en particular de cerámica, y los materiales metálicos inoxidables.

14. Dispositivo según una de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado por el hecho de que las piezas de la bomba (14) que son susceptibles de entrar en contacto con el fluido caloportador presentan un revestimiento superficial resistente a la corrosión, y en particular un revestimiento superficial hecho por deposición química de níquel metálico.

15. Dispositivo según una de las reivindicaciones 9 a 14, caracterizado por el hecho de que se trata de un dispositivo de control térmico de componentes (16) de un sistema espacial tal como un satélite o una estación espacial, formando dicho circuito (13, 17) un bucle de fluido caloportador bifásico, formando dichos componentes (16) una fuente caliente externa al circuito (13, 17) y asociada a éste último por medios de intercambio térmico 50 (15) con vistas a su enfriamiento.

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