MEDIO DE REGENERACIÓN APTO PARA SU USO EN INTERCAMBIADORES DE CALOR Y PROCEDIMIENTO ASOCIADO A DICHO MEDIO.

Medio de regeneración apto para su uso en intercambiadores de calor y procedimiento asociado a dicho medio.

La presente invención se refiere a un medio de regeneración apto para su uso en intercambiadores de calor, preferentemente intercambiadores de bajas temperaturas o criogénicos, donde dicho medio de regeneración comprende uno o más materiales porosos, mesoporosos o microporosos, encontrándose dichos materiales, preferentemente, saturados en ambiente de gas helio. La invención se refiere, también, a un procedimiento de intercambio de calor basado en un medio de regeneración según dichos materiales, que proporciona una alternativa a los medios y procedimientos existentes en el estado actual de la técnica, basados en el uso de tierras raras.

Medio de regeneración apto para su uso en intercambiadores de calor y procedimiento asociado a dicho medio.

Campo de de la invención La presente invención pertenece al campo de física de bajas temperaturas y a su aplicación a la fabricación de intercambiadores de calor. Más concretamente, la invención se refiere a la fabricación de materiales y dispositivos de regeneración empleados en refrigeradores criogénicos.

Estado de la técnica Actualmente, la práctica totalidad de los refrigeradores criogénicos (más conocidos por el término inglés,

“cr y ocoolers”) existentes en el estado de la técnica, están basados en el principio de compresión y expansión cíclica de un gas, dando así lugar a cambios de temperaturas. Dicho tipo de refrigeradores necesitan, en consecuencia, la presencia de uno o más intercambiadores de calor, llamados también regeneradores, que actúan sobre el ciclo fríocaliente del gas, permitiendo a este último fluir, de forma que se produzca una transferencia de calor (energía) desde un “flujo caliente” hacia el “flujo frío”. Este proceso tiene lugar por medio del material que constituye el propio regenerador,

cuyo requisito principal es una elevada capacidad calorífica volumétrica a la temperatura de trabajo del refrigerador, permitiendo así conservar la energía durante los ciclos de operación.

Los regeneradores comerciales son relativamente fáciles y económicos de fabricar, siempre que las temperaturas de trabajo sean superiores a temperaturas comprendidas entre 15 – 20 K. Para temperaturas inferiores, la selección de los materiales que constituyen el regenerador es mucho más exigente, dado que la contribución principal a la capacidad calorífica volumétrica de dichos materiales se reduce drásticamente a medida que la temperatura desciende, estando dicha capacidad calorífica principalmente determinada por la contribución de la vibración reticular del material que conforma el regenerador, y que es directamente proporcional al cubo de la temperatura (T 3) en el rango de temperaturas inferiores a 15 K. Es por este motivo que se plantea, dentro de este campo de la técnica, la necesidad de encontrar medios adicionales que sean capaces de contribuir a la capacidad calorífica volumétrica, que presenten valores elevados a las bajas temperaturas consideradas (preferentemente inferiores a 15 K) . Una solución conocida a este problema, propuesta a finales de los años 80 del siglo XX y utilizada hasta la fecha, reside en emplear regeneradores magnéticos, es decir, materiales constituidos por iones magnéticos que, interactuando entre sí, dan lugar a una transición de fase a un estado ordenado magnéticamente. La capacidad calorífica volumétrica presenta un máximo a la temperatura de transición, determinando así también la temperatura de trabajo del regenerador. Ello ha llevado al desarrollo de varios tipos de refrigeradores criogénicos, siendo más utilizados los denominados Joule– Thomson, Brayton, Stirling, Gifford–McMahon, y PTR (del inglés “Pulse-Tube Refrigerator”) . Los citados refrigeradores incorporan regeneradores magnéticos constituidos por aleaciones de tierras raras en forma de partículas/esferas en ambientes preferentemente saturados de gas helio, típicamente del orden de 0, 1 mm de diámetro. En particular, los materiales más empleados como regeneradores son Er3Ni, HoCu2 y Gd2O2S (o GOS) , que presentan temperaturas de orden magnético en el rango 5 – 10 K y valores elevados de la capacidad calorífica volumétrica, llegando a estar en el rango de 0, 4 – 1, 1 J /cm3·K, dependiendo de la temperatura.

Para los refrigeradores criogénicos de 4 K, según el estado de la técnica, los regeneradores basados en tierras raras son actualmente los únicos válidos. No obstante, si bien dichos elementos proporcionan al material regenerador la característica deseada de presentar una capacidad calorífica volumétrica elevada, un problema derivado de su utilización es su elevado coste, como consecuencia de la dificultad de extracción de estos materiales y del monopolio del mercado mundial por parte de China. La presente invención está destinada a proporcionar una alternativa a los materiales basados en tierras raras, que permite la fabricación de regeneradores de capacidades comparables a los dispositivos actualmente existentes, pero cuyos costes asociados de fabricación son considerablemente inferiores a los que presentan los regeneradores actuales.

Descripción breve de la invención Un objeto de la presente invención está orientado a la fabricación de intercambiadores de calor basados en materiales intrínsecamente porosos, bien sean mesoporosos o microporosos, no necesariamente magnéticos, como alternativa a la utilización de las aleaciones de tierras raras empleadas hoy en día como intercambiadores de calor en ambientes saturados de gas helio, por ejemplo para refrigeradores criogénicos de 4 K. A lo largo del presente documento, el término “material microporoso” se interpreta como aquel material que comprende, preferentemente, poros inferiores a 2 nm. El término “material mesoporoso” se interpreta como aquél que comprende, preferentemente, poros de tamaño entre 2 y 50 nm, aunque preferentemente inferior a 10 nm, y el término “material poroso” se refiere indiferentemente a aquél que presenta poros de tamaño inferior a 100 nm.

Dicho objeto de la invención se consigue mediante un medio de regeneración apto para su uso en intercambiadores de calor, que comprende, al menos, un material poroso, mesoporoso o microporoso, preferentemente saturado en ambiente de gas helio. Se consigue con ello un medio de regeneración novedoso, de prestaciones finales comparables a los medios existentes en los regeneradores del estado actual de la técnica basados en tierras raras, pero que conllevan un abaratamiento frente a los mismos estimado entre uno y dos órdenes de magnitud por debajo del coste de dichos medios de regeneración.

En una realización preferente de la invención, la estructura del material poroso, mesoporoso o microporoso comprende una porosidad unidimensional, o interconectada en dos o tres dimensiones, pudiendo ser dicho material tanto de estructura cristalina como de estructura amoría (sin una estructura de orden determinado) , y con un área de sección de sus poros preferentemente inferior a 104 nm2.

En una realización preferente de la invención, el material poroso, mesoporoso o microporoso es de tipo:

(a) inorgánico, comprendiendo, preferentemente, uno o más de los siguientes compuestos: silicatos, fosfatos o sílices mesoporosas.

(b) orgánico o comprendiendo elementos con masa elemental inferior o igual a la del silicio, tal como los materiales basados en redes covalentes orgánicas.

(c) métalo-orgánico, comprendiendo, preferentemente, redes porosas metalo-orgánicas o polímeros porosos de coordinación.

Ello proporciona una gran variedad de materiales aptos para su uso en intercambiadores de calor, adaptables a diversas situaciones en función de las temperaturas de trabajo deseadas o de las capacidades caloríficas volumétricas que se desea obtener.

En una realización preferente de la invención, el material poroso, mesoporoso o microporoso presenta una transición de orden magnético. Ello proporciona fuentes adicionales de modificar o incrementar la capacidad calorífica del regenerador, según las exigencias particulares de cada proceso.

En una realización preferente de la invención, el material poroso, mesoporoso o microporoso se encuentra dispuesto en el medio de regeneración como un agregado de partículas. Más preferentemente, las partículas en agregación comprenden dimensiones (diámetro, longitud, anchura o altura) iguales o superiores a 10 μm. Ello supone una proporción adecuada entre el tamaño de dichos agregados y los poros de las partículas que los forman, para proporcionar un medio efectivo de regeneración, que facilite el atrapamiento de gas helio dentro de los poros, favoreciendo la circulación del gas helio entre las partículas del medio.

En una realización preferente de la invención, el gas helio del medio de regeneración comprende helio-4 y/o helio-3. Este último favorece la obtención de temperaturas más bajas.

Otro objeto de la presente invención es un regenerador criogénico que comprende un medio de regeneración según las realizaciones descritas en el presente documento.

Otro objeto de la presente invención es un refrigerador criogénico que comprende un regenerador según las realizaciones descritas en el presente documento. En una realización preferente de la invención, el refrigerador... [Seguir leyendo]

1. Medio de regeneración apto para su uso en intercambiadores de calor, caracterizado porque comprende, al menos, un material poroso, mesoporoso o microporoso.

2. Medio según la reivindicación 1, donde el material poroso, mesoporoso o microporoso está saturado en ambiente de gas helio.

3. Medio según la reivindicación 1 o 2, donde la estructura del material poroso, mesoporoso o microporoso comprende una porosidad unidimensional, o interconectada en dos o tres dimensiones.

4. Medio según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde el material poroso, mesoporoso o microporoso es de estructura cristalina.

5. Medio según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde el material poroso, mesoporoso o microporoso es de estructura amoría.

6. Medio según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde los canales porosos que constituyen la estructura del material poroso, mesoporoso o microporoso comprenden un área de sección inferior a 104 nm2.

7. Medio según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde el material poroso, mesoporoso o microporoso es inorgánico.

8. Medio según la reivindicación 7, donde el material poroso, mesoporoso o microporoso inorgánico comprende uno

o más de los siguientes compuestos: silicatos, fosfatos o sílices mesoporosas.

9. Medio según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde el material poroso, mesoporoso o microporoso es orgánico o comprende elementos con masa elemental inferior o igual a la del silicio.

10. Medio según la reivindicación 9, donde el material poroso, mesoporoso o microporoso es un material con red covalente orgánica (COF) .

11. Medio según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde el material poroso, mesoporoso o microporoso es metalo-orgánico.

12. Medio según la reivindicación 11, donde el material poroso, mesoporoso o microporoso comprende una red porosa metalo-orgánica (MOF) o un polímero poroso de coordinación (PCP) .

13. Medio según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, donde el material poroso, mesoporoso o microporoso presenta una transición de orden magnético.

14. Medio según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, donde el material poroso, mesoporoso o microporoso se encuentra dispuesto en dicho medio como agregado de partículas.

15. Medio según la reivindicación 14, donde las partículas en agregación comprenden dimensiones superiores a 10

μm.

16. Medio según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 15, donde el gas helio comprende helio-4.

17. Medio según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 16, donde el gas helio comprende helio-3.

18. Regenerador criogénico que comprende un medio de regeneración según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 17.

19. Refrigerador criogénico que comprende un regenerador según la reivindicación 18.

20. Refrigerador según la reivindicación 19, que comprende medios de circulación del gas helio.

21. Procedimiento de intercambio de calor que comprende la circulación del gas helio comprendido en un medio de regeneración según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 17.

22. Procedimiento según la reivindicación 21, que comprende el vaciado del material poroso, mesoporoso o microporoso comprendido en el medio de regeneración, previamente a la circulación del gas helio.

23. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 21 a 22, donde la circulación del gas helio se lleva a cabo a una temperatura inferior a 30 K.

24. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 21 a 22, donde la circulación del gas helio se lleva a cabo a una temperatura inferior a 15 K.

25. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 21 a 24, donde los poros del material poroso, mesoporoso o microporoso son rellenados por medio del gas helio en circulación.

26. Procedimiento según la reivindicación 25, donde el gas helio que rellena el material poroso, mesoporoso o microporoso queda confinado dentro de los poros del material poroso, mesoporoso o microporoso en una proporción superior al 99% en volumen.