Dispositivo de regulación térmica con circulación de fluido caloportador en circuito cerrado,

adecuado para transferir calor de al menos una fuente (A) denominada caliente a al menos una fuente (B) denominada fría, y que comprende al menos un bucle (1) de un fluido difásico con bombeo capilar, que comprende un evaporador (2), destinado a ponerse en relación de intercambio térmico con dicha al menos una denominada fuente (A) caliente, y alimentado, a través de una masa (11) microporosa conectada a una reserva (12) de fluido difásico en estado líquido, con fluido difásico líquido destinado a vaporizarse en el evaporador (2), conectado mediante un conducto (4) de vapor a un condensador (3), destinado a ponerse en relación de intercambio térmico con dicha al menos una fuente (B) denominada fría, a la que se transmite calor mediante la condensación en el condensador (3) de fluido en fase de vapor para dar fluido en fase líquida, que se devuelve al evaporador (2) mediante un conducto (7) de líquido que conecta el condensador (3) al evaporador (2), comprendiendo el dispositivo además al menos una capacidad (17) térmica, en relación de intercambio térmico permanente con fluido en fase líquida de dicho al menos un bucle (1) de fluido difásico, caracterizado porque dicha al menos una capacidad (17) térmica comprende al menos una masa de al menos un material (19) de cambio de fase; cuando la temperatura de la fuente (A) caliente se reduce por debajo de un umbral de temperatura de cambio de fase, la capacidad (17) térmica es apropiada para restituir calor a dicha reserva de fluido (12) del bucle (1).

Dispositivo de regulación térmica pasiva a base de bucle de fluido difásico con bombeo capilar con capacidad térmica

Sector de la técnica

La presente invención se refiere a un dispositivo de regulación térmica puramente pasivo, a base de al menos un bucle de transferencia térmica con circulación de fluido usado para la refrigeración de fuentes disipadoras de energía térmica.

Estado de la técnica

Por el documento de patente FR 2 813 662, se conoce un evaporador capilar para bucle de transferencia térmica, que comprende, en una carcasa dotada de un tubo de entrada de líquido de transferencia de calor y de un tubo de salida de vapor, una masa microporosa que separa, en la carcasa, un volumen de recogida de líquido en conexión con el tubo de entrada y un volumen de evaporación que se comunica con el tubo de salida y cerrado por una placa metálica de superficie de contacto con la fuente caliente que va a refrigerarse, siendo la carcasa de un material de baja conductividad térmica y siendo la masa microporosa de material de plástico que contiene eventualmente cargas de material de baja conductividad térmica. Además, una arandela metálica incrustada en el fondo de la carcasa rodea la desembocadura del tubo de entrada y está conectada al exterior mediante un piñón metálico. Este documento de patente también describe un bucle de transferencia térmica que comprende un evaporador tal como se definió anteriormente, y un condensador, conteniendo el bucle un fluido de transferencia térmica constituido por amoniaco, metanol o agua.

Más precisamente, la invención se refiere a un dispositivo de regulación térmica con circulación de fluido caloportador en circuito cerrado, adecuado para transferir calor de al menos una fuente denominada caliente a al menos una fuente denominada fría, y que comprende al menos un bucle de un fluido difásico con bombeo capilar.

Según el estado de la técnica, un bucle de este tipo, comúnmente denominado LHP (acrónimo de la expresión en inglés "Loop Heat Pipe") es un bucle de transferencia térmica que comprende un evaporador, destinado a ponerse en relación de intercambio térmico con al menos una fuente denominada caliente, con el fin de extraer calor de dicha fuente caliente, y que se alimenta, a través de una masa microporosa conectada a una reserva de fluido difásico en estado líquido, con fluido difásico líquido destinado a vaporizarse en el evaporador. Este último está conectado mediante un conducto de vapor a un condensador, destinado a ponerse en relación de intercambio térmico con al menos una fuente denominada fría, y por tanto destinado a restituir el calor extraído de la fuente caliente a dicha fuente fría, a la que se transmite calor mediante la condensación en el condensador de fluido en fase de vapor para dar fluido en fase líquida, que se devuelve al evaporador mediante un conducto de líquido que conecta el condensador al evaporador.

Por tanto, el evaporador y el condensador están conectados mediante una tubería en bucle en la que circula un fluido difásico en estado líquido, en la parte fría del bucle o conducto de líquido, y en estado gaseoso en su parte caliente, o conducto de vapor.

En este tipo de bucle, el bombeo del fluido se garantiza mediante capilaridad (bucle capilar) , gracias a la masa microporosa conectada a la reserva de fluido en estado líquido y que garantiza el bombeo de este fluido líquido mediante capilaridad en el evaporador. Por tanto, el fluido líquido presente en la reserva del evaporador se evapora al contacto de la fuente caliente, y el gas así creado se evacua hacia el condensador, en relación de intercambio térmico con la fuente fría, y en el que el gas se condensa y vuelve en estado líquido hacia el evaporador para crear un ciclo de transferencia de calor.

En un bucle de este tipo, la capilaridad se usa como presión motriz, y el intercambio de fase líquida-vapor se usa como medio de transporte de la energía.

La reserva de fluido líquido, situada en la proximidad de la fuente caliente, en general en la cara trasera del evaporador, permite alimentar el bucle en líquido en función de la temperatura o de la potencia de funcionamiento.

Una limitación de este tipo de bucle de transferencia térmica con evaporador capilar procede del hecho de que, cuando las condiciones externas reducen sensiblemente la temperatura de la fuente fría, o la temperatura de la fuente caliente, o las dos temperaturas a la vez, y esto sin que la temperatura de la fuente caliente se vuelva inferior a la de la fuente fría, el funcionamiento de un bucle de este tipo según el estado de la técnica tiene como efecto, en todos los casos, reducir aún más la temperatura de la fuente caliente, eventualmente por debajo de su intervalo de funcionamiento normal. En este caso, y tal como se conoce en el estado de la técnica, se recurre a calentadores que permiten regular la temperatura de la fuente caliente o de la fuente fría, instalándose lo más frecuentemente tales calentadores en contacto con dichas fuentes o sobre la pared de un depósito asociado con el evaporador y que contiene la reserva de fluido difásico líquido. No obstante, el uso de calentadores tiene el inconveniente de consumir energía eléctrica, siempre disponible en cantidad limitada y con costes muy elevados a bordo de vehículos espaciales, concretamente de satélites. Eventualmente, además, el uso de calentadores necesita un control activo, a partir de sensores de temperatura, implantados concretamente en las fuentes mencionadas anteriormente o en el depósito mencionado anteriormente, así como de una unidad de control de los calentadores y de tratamiento de las señales de los sensores de temperatura, lo que hace que el dispositivo de regulación térmica sea más complejo y más costoso.

Objeto de la invención

El objetivo pretendido por la presente invención es aliviar estas limitaciones, y proponer un dispositivo de regulación térmica a base de bucle de fluido difásico con bombeo capilar, del tipo presentado anteriormente, que satisfaga mejor que los dispositivos conocidos del estado de la técnica las diversas exigencias de la práctica, y, en particular, que aporte otras ventajas, las cuales aparecerán a lo largo de la siguiente descripción.

La idea en la base de la invención se basa en la adición, a al menos un bucle tal como se presentó anteriormente, de al menos una capacidad térmica que, en funcionamiento nominal del dispositivo de regulación térmica, cuando dicho bucle recibe una potencia térmica que va a transportarse, acumula calor gracias a un flujo térmico que transita desde la fuente caliente a través del fluido difásico en estado líquido y presente en el, o en la proximidad del, evaporador, mientras que el bucle, en funcionamiento nominal, evacua la mayor parte de la potencia térmica que recibe hacia el condensador y la fuente fría, y que, cuando la potencia térmica que va a disiparse disminuye o se anula, o la temperatura de la fuente fría disminuye, restituye energía térmica al bucle, de manera que es posible controlar, incluso parar, el funcionamiento de dicho bucle, y ello de manera totalmente pasiva.

Para ello, la invención propone un dispositivo de regulación térmica del tipo presentado anteriormente, que comprende al menos un bucle de un fluido difásico con bombeo capilar tal como también se presentó anteriormente, y que se caracteriza porque comprende además al menos una capacidad térmica, en relación de intercambio térmico permanente con fluido en fase líquida de dicho al menos un bucle de fluido difásico.

Dicha al menos una capacidad térmica comprende al menos una masa de al menos un material de cambio de fase. En este caso, en efecto, el material de cambio de fase presenta, mediante absorción del calor latente de cambio de fase, una gran capacidad de almacenamiento térmico que mejora la capacidad de control del dispositivo de regulación térmica.

Al menos un material de cambio de fase también puede ser un fluido difásico de cambio de fase líquida-gaseosa, pudiendo este fluido difásico ser idéntico al de dicho al menos un bucle de fluido difásico del dispositivo de regulación, o diferente del fluido difásico de este bucle. No obstante, ventajosamente, al menos un material de cambio de fase es de cambio de fase sólida-líquida, lo que facilita la realización de la capacidad térmica adicional y su integración en el evaporador del bucle de fluido difásico, y lo que también ofrece la ventaja de facilitar la selección del o de los materiales de cambio de fase... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de regulación térmica con circulación de fluido caloportador en circuito cerrado, adecuado para transferir calor de al menos una fuente (A) denominada caliente a al menos una fuente (B) denominada fría, y que comprende al menos un bucle (1) de un fluido difásico con bombeo capilar, que comprende un evaporador (2) , destinado a ponerse en relación de intercambio térmico con dicha al menos una denominada fuente (A) caliente, y alimentado, a través de una masa (11) microporosa conectada a una reserva (12) de fluido difásico en estado líquido, con fluido difásico líquido destinado a vaporizarse en el evaporador (2) , conectado mediante un conducto (4) de vapor a un condensador (3) , destinado a ponerse en relación de intercambio térmico con dicha al menos una fuente (B) denominada fría, a la que se transmite calor mediante la condensación en el condensador (3) de fluido en fase de vapor para dar fluido en fase líquida, que se devuelve al evaporador (2) mediante un conducto (7) de líquido que conecta el condensador (3) al evaporador (2) , comprendiendo el dispositivo además al menos una capacidad

(17) térmica, en relación de intercambio térmico permanente con fluido en fase líquida de dicho al menos un bucle

(1) de fluido difásico, caracterizado porque dicha al menos una capacidad (17) térmica comprende al menos una masa de al menos un material (19) de cambio de fase; cuando la temperatura de la fuente (A) caliente se reduce por debajo de un umbral de temperatura de cambio de fase, la capacidad (17) térmica es apropiada para restituir calor a dicha reserva de fluido (12) del bucle (1) .

2. Dispositivo de regulación térmica con circulación de fluido caloportador en circuito cerrado, según la reivindicación 1, caracterizado porque al menos un material (19) de cambio de fase también es un fluido difásico de cambio de fase líquida-gaseosa, idéntico al de dicho al menos un bucle (1) de fluido difásico o diferente del fluido difásico de dicho bucle (1) .

3. Dispositivo de regulación térmica con circulación de fluido caloportador en circuito cerrado, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque al menos un material (19) de cambio de fase es de cambio de fase sólida-líquida.

4. Dispositivo de regulación térmica con circulación de fluido caloportador en circuito cerrado, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicho material (19) de cambio de fase se selecciona para ajustar el intervalo de funcionamiento de dicho al menos un bucle (11) de fluido difásico y de dicha fuente (A) denominada caliente.

5. Dispositivo de regulación térmica con circulación de fluido caloportador en circuito cerrado, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el material (19) de cambio de fase se selecciona de manera que el dispositivo de regulación funciona como interruptor térmico, parando el funcionamiento de dicho al menos un bucle (1) de fluido difásico en condiciones de temperatura determinadas de la fuente (B) denominada fría y/o de la fuente (A) denominada caliente.

6. Dispositivo de regulación térmica con circulación de fluido caloportador en circuito cerrado, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dicha al menos una capacidad (17) térmica está en relación de intercambio térmico principalmente con al menos una parte del conducto (7) de líquido de dicho al menos un bucle

(1) de fluido difásico.

7. Dispositivo de regulación térmica con circulación de fluido caloportador en circuito cerrado, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dicha al menos una capacidad (17) térmica está en relación de intercambio térmico principalmente con dicha reserva (12) de fluido líquido de dicho al menos un bucle (1) de fluido difásico.

8. Dispositivo de regulación térmica con circulación de fluido caloportador en circuito cerrado, según la reivindicación 7, caracterizado porque dicha al menos una capacidad (17) térmica está en contacto directo con el evaporador (2) de dicho al menos un bucle (1) de fluido difásico.

9. Dispositivo de regulación térmica con circulación de fluido caloportador en circuito cerrado, según la reivindicación 7, caracterizado porque dicha al menos una capacidad (17) térmica está desviada con respecto al evaporador (2) de dicho al menos un bucle (1) de fluido difásico, y en relación de intercambio térmico con dicho evaporador (2) mediante al menos un caloducto y/o un bucle intermedio de transferencia térmica.

10. Dispositivo de regulación térmica con circulación de fluido caloportador en circuito cerrado, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque dicha al menos una capacidad (17) térmica está fijada a, o en, una carcasa (10) de dicho evaporador (2) , que aloja dicha reserva (12) de fluido líquido y dicha masa (11) microporosa de dicho al menos un bucle de fluido difásico, y en la proximidad de una entrada (9) de fluido líquido, procedente de dicho conducto (7) de líquido correspondiente, en dicha carcasa (10) , en el lado de la carcasa (10) que es opuesto a una cara (14) caliente de dicho evaporador (2) , formando superficie de contacto con dicha fuente

(A) denominada caliente o bucle intermedio de transferencia térmica o con dicho caloducto, y en la proximidad de una salida (5) de fluido de vapor en dicho conducto (4) de vapor correspondiente.

11. Dispositivo de regulación térmica con circulación de fluido caloportador en circuito cerrado, según la reivindicación 10, caracterizado porque al menos un resorte (15) , por ejemplo helicoidal, que se apoya contra un fondo (16) de dicha carcasa (10) adyacente a dicha capacidad (17) térmica para empujar dicha masa (11) microporosa hacia dicha cara (14) caliente de dicho evaporador (2) , está dispuesto en dicha reserva (12) de fluido líquido.

12. Dispositivo de regulación térmica con circulación de fluido caloportador en circuito cerrado, según una de las reivindicaciones 10 y 11, caracterizado porque dicha carcasa (10) de dicho evaporador (2) está dotada de un tubo (9) de entrada de fluido líquido procedente de dicho conducto (7) de líquido y de un tubo (5) de salida de fluido de vapor hacia dicho conducto (4) de vapor, y encierra dicha masa (11) microporosa que separa, en dicha carcasa (10) , un volumen (12) de reserva de fluido líquido, en comunicación con dicho tubo (9) de entrada, de un volumen (13) de evaporación en comunicación con dicho tubo (5) de salida, y cerrado por dicha cara (A) caliente dispuesta en placa térmicamente conductora de superficie de contacto con dicha fuente (A) denominada caliente que va a refrigerarse.

13. Uso de un dispositivo de regulación térmica con circulación de fluido caloportador en circuito cerrado, según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque su uso se hará en la regulación de temperatura de una fuente (A) denominada caliente que comprende al menos un equipo disipador de una nave espacial, tal como un satélite (S) , con transferencia térmica a una fuente (8) denominada fría que es un sumidero de calor que comprende al menos un radiador de dicha nave espacial.