Dispositivo pasivo de regulación térmica de microbucle con fluido de bombeo capilar.

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

comprendiendo el citado bucle un evaporador (22) que comprende una masa microporosa (23), y un condensador (28), destinados a estar en relación de intercambio térmico respectivamente con una fuente caliente (27) y con una fuente fría (30), y una tubería que une el evaporador (22) al condensador (28) y que transporta el fluido caloportador esencialmente en fase vapor del evaporador (22) hacia el condensador (28) y esencialmente en fase líquida del condensador (28) hacia el evaporador (22), comprendiendo la tubería un tubo externo (21), que aloja a la masa microporosa (23) de forma sensiblemente alargada, y que asegura la circulación de fluido caloportador en fase líquida por bombeo capilar, caracterizado porque la citada fase líquida del citado fluido es bombeada por al menos una extremidad (23c) de la masa microporosa (23) que está vuelta hacia el condensador (28), y circula al menos por un conducto externo (34) delimitado entre el citado tubo externo (21) y al menos un tubo interno (31) que se extiende en el interior del citado tubo externo (21), y la fase vapor del citado fluido calentado en la masa microporosa (23) del evaporador (22) es recogida en el conducto (25) central longitudinal dispuesto en el interior de la citada masa microporosa (23) y se evacua por al menos un conducto interno (35) delimitado en el interior del citado al menos un tubo interno (31), estando empalmado el citado al menos un tubo interno (31) por una extremidad (32) a una extremidad del citado conducto central (25), mientras que la fase vapor se evacua en la otra extremidad (33) del citado al menos un tubo interno (31), a nivel del condensador (28).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/FR2008/051326.

Solicitante: ASTRIUM SAS.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 6 RUE LAURENT PICHAT 75016 PARIS FRANCIA.

Inventor/es: Figus,Christophe.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F28D15/04 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F28 INTERCAMBIO DE CALOR EN GENERAL.F28D INTERCAMBIADORES DE CALOR, NO PREVISTOS EN NINGUNA OTRA SUBCLASE, EN LOS QUE LOS MEDIOS QUE INTERCAMBIAN CALOR NO ENTRAN EN CONTACTO DIRECTO (materiales de transferencia de calor, de intercambio de calor o de almacenamiento de calor C09K 5/00; calentadores de fluidos que tienen medios para producir y transferir calor F24H; hornos F27; partes constitutivas de los aparatos intercambiadores de calor de aplicación general F28F ); APARATOS O PLANTAS DE ACUMULACION DE CALOR EN GENERAL. › F28D 15/00 Aparatos cambiadores de calor en los cuales el agente intermediario de transferencia térmica está en tubos cerrados que pasan por, o a través de, las paredes de las canalizaciones. › con tubos de estructura capilar.

PDF original: ES-2394053_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Dispositivo pasivo de regulacion termica de microbucle con fluido de bombeo capilar

La presente invencion se refiere a un dispositivo puramente pasivo de regulacion termica, que comprende al menos un bucle de transferencia termica con circulacion de un fluido caloportador por bombeo capilar, del tipo denominado igualmente microbucle de fluido de bombeo capilar, y utilizado para la refrigeracion de fuentes calientes, tales como componentes o conjuntos de componentes (circuitos) electronicos. Un dispositivo de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1 es conocido por el documento US 2005/086806 A.

De acuerdo con el estado de la tecnica, un bucle de transferencia termica comprende un evaporador destinado a extraer calor de una fuente caliente, y un condensador destinado a restituir este calor a una fuente fria. El evaporador y el condensador estan unidos por una tuberia, por la cual circula un fluido caloportador en estado liquido en la parte fria del bucle y en estado gaseoso en la parte caliente de este bucle. El dispositivo de la invencion concierne de modo mas particular a bucles de fluidos, en los que el bombeo del fluido caloportador es asegurado por capilaridad (bucle capilar) . En este tipo de bucle, el evaporador esta asociado a una reserva de fluido en estado liquido, y comprende una masa microporosa (denominada igualmente mecha) que asegura el bombeo del fluido por capilaridad. El fluido en fase liquida presente en la reserva asociada al evaporador se evapora en la masa microporosa bajo el efecto del calor que proviene de la fuente caliente. El gas asi creado es evacuado hacia el condensador, en contacto de intercambio termico con la fuente fria y donde se condensa y vuelve en fase liquida hacia el evaporador, para crear asi un ciclo de transferencia de calor.

Una de las limitaciones de un bucle de transferencia termica de este tipo en funcionamiento, reside en la cantidad, mas o menos importante, de energia termica que es transferida hacia la reserva liquida, a traves del evaporador.

Un primer efecto de este fenomeno parasito es recalentar el liquido que circula por el bucle o contenido en la reserva del evaporador. Un segundo efecto parasito es disminuir el rendimiento termico del bucle de transferencia que es muy sensible a la temperatura de este liquido. En efecto, un bucle de transferencia de este tipo transporta la casi totalidad de la energia por cambio de fase del fluido caloportador y, para funcionar, requiere algunas frigorias para mantener en estado liquido el fluido que circula del condensador hacia el evaporador. Un calentamiento, incluso parcial, de este liquido por un medio cualquiera degrada por tanto muy sensiblemente el rendimiento de transferencia termica del bucle, hasta dar lugar eventualmente a su parada total.

El objeto de la presente invencion se refiere a los dispositivos pasivos de regulacion termica de microbucles de bombeo capilar, destinados al enfriamiento de fuentes calientes tales como componentes y/o circuitos electronicos. De acuerdo con el estado de la tecnica, tales componentes o circuitos electronicos se particularizan por un tamafo reducido (por ejemplo, espesor 1 mm a 2 mm, superficie 10 mm2 a 100 mm2) , y elevadas densidades de potencia que hay que evacuar (por ejemplo, mas de 50 W/cm2) . Ademas, la variacion de temperatura entre la union del componente o circuito electronico y la carcasa del citado componente o circuito es muy grande (en un factor de 2 a 3) frente a la variacion de temperatura de la carcasa del componente o circuito y la temperatura de una base de una tarjeta en la que esta implantado el componente o circuito.

La utilizacion de un bucle de transferencia de calor con bombeo capilar del tamafo del componente o circuito, denominado microbucle, permite reducir ventajosamente la diferencia de temperatura entre la union del componente o circuito y la base de la tarjeta en la que este esta implantado, y asi aumentar la fiabilidad del componente o circuito, aumentando la potencia disipada por este componente o circuito.

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

Un primer inconveniente del estado de la tecnica para la realizacion de un dispositivo de este tipo reside en el hecho de que la reduccion de tamafo del citado microbucle favorece la transferencia parasita de calor hacia la reserva de liquido, lo que degrada de modo considerable el rendimiento del bucle. Este inconveniente es una de las principales limitaciones para la reduccion de tamafo del evaporador de un microbucle de acuerdo con el estado de la tecnica.

Por ejemplo, un dispositivo de bucle de fluido representativo del estado de la tecnica es el descrito en la patente US7111394. En este dispositivo, tal como esta representado en corte longitudinal en la figura 1 y en corte transversal en la figura 2 que se adjuntan y dispuesto dentro de un tubo 10 cerrado estanco en sus dos extremidades, el evaporador 11 esta unido a un deposito de liquido 15, y comprende una masa microporosa 12 de forma globalmente cilindrica, perforada por una arteria central 14, por cuyo interior circula la fase liquida 19 del fluido que viene del condensador 16 hacia el deposito 15. Alrededor de esta arteria 14, en la periferia de la masa microporosa 12, estan perforados conductos 13 en los cuales es recogido el vapor 18 que resulta del intercambio termico que se efectua en el evaporador 11, entre la masa 12 y el fluido en fase liquida en el deposito 15, y bombeado por capilaridad por la masa microporosa 12. Se observa que la fase vapor 18 esta confinada en la periferia de la masa 12, lo mas cerca posible de la zona en la que se efectua el intercambio termico entre la fuente caliente (por ejemplo un componente electronico en contacto contra la cara externa del tubo 10 a nivel del evaporador 11) y el evaporador 11. La fase vapor es asi mantenida a una distancia suficiente de la fase liquida central, evitando que los flujos de calor parasitos inevitablemente presentes en la masa 12 recalienten demasiado la fase liquida y perjudiquen la eficacia del bucle. La fase vapor recogida en los conductos 13 de la masa 12 es guiada hacia el condensador 16 por el espacio anular entre el tubo externo 10 y un tubo interno 17, en una o varias partes, empalmado por una extremidad a la extremidad de la arteria central 14 de la masa 12, mientras que su extremidad opuesta desemboca en el condensador 16 y comunica con el volumen anular entre los tubos 10 y 17, para recoger los condensados y reciclar la fase liquida hacia el deposito 15.

Sin embargo, si se desea minimizar este dispositivo, hasta un diametro exterior del evaporador 11 tipicamente de 1 mm a 2 mm, los conductos perifericos 13 estaran muy proximos a la arteria interna 14 que lleva el liquido y esto tanto mas cuanto que los diametros de los conductos 13 y de la arteria 14 tengan que ser de una dimension suficiente para asegurar un caudal de fluido que permita un transporte eficaz del calor que hay que evacuar. Flujos de calor parasitos importantes se instalaran entonces inevitablemente del vapor hacia el liquido, el liquido se recalentara y la eficacia del bucle se desplomara.

Otro inconveniente de este dispositivo representativo del estado de la tecnica proviene igualmente de la complejidad de realizacion, cuando se desee miniaturizar el dispositivo.

Para paliar estos inconvenientes del estado de la tecnica, la invencion propone un dispositivo de al menos un microbucle, muy simple de realizar, que limite estos efectos parasitos y que asi mejore el rendimiento termico de cada microbucle. El dispositivo de acuerdo con la invencion es igualmente ventajoso para bucles de fluidos de dimension y de capacidad de transferencia termica mayores.

Con objeto de poner remedio a los inconvenientes antes citados, la invencion propone un dispositivo pasivo de regulacion termica, que comprende al menos un bucle de transferencia termica con bombeo capilar de un fluido caloportador, comprendiendo el citado bucle un evaporador que comprende una masa microporosa, y un condensador, destinados a estar en relacion termica respectivamente con una fuente caliente y con una fuente fria, y una tuberia que une el evaporador al condensador y que transporta el fluido caloportador esencialmente en fase vapor, del evaporador hacia el condensador, y esencialmente en fase liquida, del condensador hacia el evaporador, comprendiendo la tuberia un tubo externo, que aloja a la masa microporosa de forma sensiblemente alargada, y que asegura la circulacion de fluido caloportador en fase liquida por bombeo capilar, que se caracteriza porque la citada fase liquida del citado fluido es bombeada... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo pasivo de regulacion termica, que comprende al menos un bucle de transferencia termica con bombeo capilar de un fluido caloportador, comprendiendo el citado bucle un evaporador (22) que comprende una masa microporosa (23) , y un condensador (28) , destinados a estar en relacion de intercambio termico respectivamente con una fuente caliente (27) y con una fuente fria (30) , y una tuberia que une el evaporador (22) al condensador (28) y que transporta el fluido caloportador esencialmente en fase vapor del evaporador (22) hacia el condensador (28) y esencialmente en fase liquida del condensador (28) hacia el evaporador (22) , comprendiendo la tuberia un tubo externo (21) , que aloja a la masa microporosa (23) de forma sensiblemente alargada, y que asegura la circulacion de fluido caloportador en fase liquida por bombeo capilar, caracterizado porque la citada fase liquida del citado fluido es bombeada por al menos una extremidad (23c) de la masa microporosa (23) que esta vuelta hacia el condensador (28) , y circula al menos por un conducto externo (34) delimitado entre el citado tubo externo (21) y al menos un tubo interno (31) que se extiende en el interior del citado tubo externo (21) , y la fase vapor del citado fluido calentado en la masa microporosa (23) del evaporador (22) es recogida en el conducto (25) central longitudinal dispuesto en el interior de la citada masa microporosa (23) y se evacua por al menos un conducto interno (35) delimitado en el interior del citado al menos un tubo interno (31) , estando empalmado el citado al menos un tubo interno (31) por una extremidad (32) a una extremidad del citado conducto central (25) , mientras que la fase vapor se evacua en la otra extremidad (33) del citado al menos un tubo interno (31) , a nivel del condensador (28) .

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque el citado tubo externo (21) esta cerrado sobre si mismo formando un bucle continuo, cuyas dos partes sensiblemente opuestas, con respecto al centro del citado bucle, estan en relacion de intercambio termico, una con el citado condensador (28) , y la otra con el citado evaporador (22) y con la citada masa microporosa (23) alojada en la citada otra parte del tubo externo (21) y atravesada en toda su longitud por el citado conducto central (25) , extendiendose dos tubos internos (31) en el interior del citado tubo externo (21) , estando empalmado cada uno de los dos tubos internos (31) , por una primera extremidad (32) , a una respectivamente de las dos extremidades del conducto central (25) de la citada masa microporosa (23) , mientras que la segunda extremidad (33) de cada tubo interno (31) desemboca en el citado condensador (28) enfrente de la segunda extremidad (33) del otro tubo interno (31) de modo que hace comunicar el conducto interno (35) de fluido en fase vapor delimitado en cada tubo interno (31) con el citado al menos un conducto externo (34) de fluido en fase liquida que circula del condensador (28) hacia la cara terminal (23c) correspondiente de la citada masa microporosa (23) .

3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque el citado tubo externo (21) esta cerrado en sus dos extremidades, y sus dos extremidades estan en relacion de intercambio termico, una con el citado condensador (28) , y la otra con el citado evaporador (22) y con la citada masa microporosa (23) alojada en esta extremidad del tubo externo (21) , la citada fase liquida del citado fluido es bombeada por la extremidad (23c) de la masa microporosa (23) vuelta hacia el condensador (28) , y circula por un conducto externo (34) delimitado entre el citado tubo externo (21) y un tubo interno (31) que se extiende en el interior del citado tubo externo (21) , y la fase vapor del citado fluido calentado a nivel de la masa microporosa (23) del evaporador (22) es recogida en un conducto (25) central longitudinal dispuesto en el interior de la citada masa microporosa (23) y se evacua por el conducto interno (35) delimitado en el interior del citado tubo interno (31) , estando empalmado el citado tubo interno por una extremidad (32) a una extremidad del citado conducto central (25) , mientras que la fase vapor se evacua en la otra extremidad (33) del citado tubo interno (31) , a nivel del condensador (28) .

4. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la citada otra extremidad (33) del citado al menos un tubo interno (31) situada a nivel del condensador (28) esta acoplada en el interior de una masa microporosa anular (38) que llena un espacio delimitado en el citado condensador entre la citada otra extremidad (33) del citado tubo interno (31) y el citado tubo externo (21) .

5. Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 4, caracterizado porque el liquido que se condensa a nivel del condensador (28) es drenado hasta la citada masa microporosa anular (38) , ventajosamente a lo largo de la pared del citado tubo externo (21) por ejemplo por un drenaje capilar o una masa microporosa (39) situada a lo largo de la pared del citado tubo externo (21) a nivel del citado condensador (28) .

6. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque cada uno del evaporador (22) y del condensador (28) comprenden al menos un manguito externo (24, 29) de un material buen conductor del calor, rodeando el citado al menos un manguito (24) del evaporador (22) , al menos parcialmente, a una parte del tubo externo (21) que aloja a la citada masa microporosa (23) , y rodeando el citado al menos un manguito (29) del condensador (28) a una parte del tubo externo (21) en la cual al menos un conducto interno (35) libera el fluido en fase vapor hacia el citado al menos un conducto externo (34) .

7. Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 6, caracterizado porque al menos uno de los citados manguitos externos (24, 29) del evaporador (22) y del condensador (28) comprende al menos una base (26) de un material buen conductor del calor y por la cual el citado manguito (24, 29) esta destinado a ser puesto en relacion de intercambio termico con una fuente respectivamente caliente (27) o fria (30) .

8. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el citado al menos un tubo interno (31) tiene sus paredes constituidas de al menos un material termicamente aislante, preferentemente de un material sintetico denominado plastico.

9. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el citado al menos un tubo interno (31) de evacuacion del vapor penetra en el interior de la citada masa microporosa (23) .

10. Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 9, caracterizado porque el citado al menos un tubo interno (31) comprende en su pared externa al menos un drenaje capilar (42) definido por ejemplo por al menos una ranura sensiblemente longitudinal, al menos a nivel de la parte (32) del citado tubo interno (31) que penetra en la masa microporosa (23) , de modo que lleva la fase liquida profundamente al interior de la citada masa microporosa (23) por capilaridad.

11. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el citado al menos un tubo interno (31) comprende en su pared externa drenajes capilares (42) definidos por ejemplo por ranuras sensiblemente longitudinales, prolongandose los citados drenajes capilares preferentemente sobre el conjunto de la longitud del citado tubo (31) .

12. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque fuera de la citada masa microporosa (23) , la pared externa del citado al menos un tubo interno (31) esta en contacto con la pared interna del citado tubo externo (21) , salvo a nivel de al menos un drenaje capilar definido por ejemplo por al menos una ranura (42º) sensiblemente longitudinal practicada en la superficie externa del citado tubo interno (31) y que define al menos un conducto externo (34º) que lleva la fase liquida del citado fluido.

13. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque la citada masa microporosa (23) tiene una forma externa sensiblemente cilindrica, asi como la parte del citado tubo externo (21) que la aloja sin holgura radial.

14. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque el citado evaporador (22) presenta una zona (26) destinada a estar en contacto de intercambio termico con la citada fuente caliente (27) y cuya dimension segun el eje del citado tubo externo (21) es significativamente mas pequefa que la longitud de la citada masa microporosa (23) , preferentemente del orden de al menos la mitad de la citada longitud de la citada masa (23) .

15. Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 14, caracterizado porque la citada masa microporosa (23) presenta una longitud que es aproximadamente 2 a 15 veces mayor que su diametro.

16. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque el citado tubo externo (21) esta en contacto de intercambio termico con la citada masa microporosa (23) en toda la superficie externa de la citada masa (23) excepto una o sus dos caras terminales longitudinales (23c) .

17. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque el citado tubo externo (21) es de seccion de diametro constante.

18. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque el citado tubo externo (21) esta realizado de un material buen conductor del calor, al menos en una parte en relacion de intercambio termico con la citada masa microporosa (23) , y en otra parte en relacion de intercambio termico con el citado condensador (28) o que constituye a este ultimo.

19. Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 18, caracterizado porque el citado tubo externo (21) es metalico, preferentemente de acero inoxidable.

20. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, caracterizado porque el citado tubo externo (21) y el citado al menos un tubo interno (31) son cilindricos de seccion transversal circular, siendo el diametro del citado al menos un tubo interno (31) sensiblemente la mitad del diametro del tubo externo (21) .

21. Aplicacion de un dispositivo (20) pasivo de regulacion termica de al menos un bucle de transferencia termica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20 a la transferencia de energia termica de una fuente caliente (27) , tal como un componente o conjunto de componentes electronicos, en relacion de intercambio termico con el evaporador (22) , a una fuente fria (30) , en relacion de intercambio termico con el condensador (28) .

(TÉCNICA ANTERIOR)

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