BR102013026682B1

BR102013026682B1 - Cabo de energia, sistema de distribuição de energia e método para resfriar um cabo de energia

Info

Publication number: BR102013026682B1
Application number: BR102013026682-5A
Authority: BR
Inventors: Gao Lijun; Shengyi Liu
Original assignee: The Boeing Company
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2022-03-29
Also published as: EP2722854A2; US9449739B2; CA2824816A1; CN103730202B; BR102013026682A2; EP2722854A3; US20140102781A1; CA2824816C; CN103730202A; EP2722854B1; BR102013026682A8

Abstract

CABO DE ENERGIA DE ALTA POTÊNCIA E DE ALTA FREQUÊNCIA. A presente invenção refere-se a um aparelho de cabo de energia (100, 300, 400, 500, 600, 700) que compreende um condutor térmico alongado (110, 610, 710) e uma camada condutora elétrica (120, 620, 720) envolvendo pelo menos uma porção do condutor térmico alongado (110, 610, 710). Em uma ou mais modalidades, o calor gerado no cabo de energia é transferido via condutor térmico alongado (110, 610, 710) para pelo menos uma extremidade do cabo de energia. Em pelo menos uma modalidade, o aparelho adicionalmente compreende uma camada isolante elétrica (130, 640, 730) envolvendo pelo menos uma porção da camada condutora elétrica (120, 620, 720). Em algumas modalidades, o aparelho adicionalmente compreende uma camada isolante elétrica (140, 650) envolvendo pelo menos uma porção da camada isolante elétrica (130, 640, 730).

Description

Campo

[0001] A presente invenção refere-se a cabos de energia. Em particular, relaciona-se a cabos de energia de alta potência e de alta frequência.

Antecedentes

[0002] Atualmente, nos projetos de cabo de energia, o calor é liberado do cabo de energia ao longo da superfície do cabo de energia. Assim, é requerido um sistema de resfriamento volumoso para estes projetos convencionais de cabo de energia para manter a temperatura do cabo de energia abaixo de um limite de temperatura máximo. A presente invenção provê um projeto de cabo de energia que provê um uso eficiente de materiais, provê uma dissipação de calor eficiente, enquanto, ao mesmo tempo, é adequado para transferir uma quantidade alta de energia, e, adicionalmente, provê transmissão de energia em alta frequência.

Sumário

[0003] A presente invenção relaciona-se a um método, um sistema, e cabos de energia de alta potência e de alta frequência. Em uma ou mais modalidades, a presente invenção descreve um cabo de energia que compreende um condutor térmico alongado. O cabo de energia adicionalmente compreende uma camada condutora elétrica envolvendo pelo menos uma porção do condutor térmico alongado. Em pelo menos uma modalidade, o calor gerado no cabo de energia é transferido através do condutor térmico alongado a pelo menos uma extremidade do cabo de energia.

[0004] Em uma ou mais modalidades, o cabo de energia adicionalmente compreende uma camada isolante elétrica envolvendo pelo menos uma porção da camada condutora térmica.

[0005] Em pelo menos uma modalidade, a camada isolante é fabricada a partir de policloreto de vinila (PVC), fluoroetilenopropileno (FEP), ou politetrafluoretileno (TFE) (Teflon®).

[0006] Em algumas modalidades, o cabo de energia adicionalmente compreende uma camada isolante térmica envolvendo pelo menos uma porção da camada isolante elétrica.

[0007] Em uma ou mais modalidades, o cabo adicionalmente compreende uma camada de blindagem envolvendo pelo menos uma porção da camada isolante térmica. Em pelo menos uma modalidade, o cabo adicionalmente compreende uma segunda camada isolante elétrica envolvendo pelo menos uma porção da camada de blindagem.

[0008] Em pelo menos uma modalidade, o cabo adicionalmente compreende uma segunda camada condutora térmica envolvendo pelo menos uma porção da camada condutora elétrica. Em algumas modalidades, o cabo adicionalmente compreende uma camada isolante elétrica envolvendo pelo menos uma porção da segunda camada condutora térmica. Em pelo menos uma modalidade, o cabo adicionalmente compreende uma camada isolante térmica envolvendo pelo menos uma porção da camada isolante elétrica.

[0009] Em uma ou mais modalidades a forma da seção transversal do condutor térmico alongado tem uma forma circular, retangular, ou poligonal. Em pelo menos uma modalidade, o condutor térmico alongado é fabricado a partir de um material que deve ser flexível, leve, e ter uma condutividade térmica muito alta. Em algumas modalidades, o condutor térmico alongado é fabricado a partir de grafite pirolítico ou nanotubos de carbono (CNTs).

[00010] Em uma ou mais modalidades, a camada condutora elétrica compreende quer um único fio sólido ou múltiplos fios. Em algumas modalidades, a camada condutora elétrica é fabricada a partir de ligas de cobre, ligas de alumínio, ou combinações de cobre, alumínio, e ligas de prata. Em algumas modalidades, pelo menos uma das extremidades do cabo de energia é conectada a um sistema de resfriamento.

[00011] Em uma ou mais modalidades, é descrito um sistema de distribuição de energia. Pelo menos um cabo de energia compreende um condutor térmico alongado e uma camada condutora elétrica envolvendo pelo menos uma porção do condutor térmico alongado. Em pelo menos uma modalidade, o calor gerado no cabo de energia é transferido, via condutor térmico alongado, a pelo menos uma extremidade do cabo de energia. Em algumas modalidades, o sistema de distribuição de energia adicionalmente compreende pelo menos um sistema de resfriamento conectado a pelo menos uma das extremidades do pelo menos um cabo de energia.

[00012] Em pelo menos uma modalidade, pelo menos um cabo de energia adicionalmente compreende uma camada isolante elétrica envolvendo pelo menos uma porção da camada condutora elétrica. Em algumas modalidades, pelo menos um cabo de energia adicionalmente compreende uma camada isolante térmica envolvendo pelo menos uma porção da camada isolante elétrica.

[00013] Em uma ou mais modalidades, pelo menos um cabo de energia adicionalmente compreende uma camada de blindagem envolvendo pelo menos uma porção da camada isolante elétrica. Em pelo menos uma modalidade, pelo menos um cabo de energia adicionalmente compreende uma segunda camada isolante elétrica envolvendo pelo menos uma porção da camada de blindagem.

[00014] Em pelo menos uma modalidade, pelo menos um cabo de energia adicionalmente compreende uma segunda camada condutora térmica envolvendo pelo menos uma porção da camada condutora elétrica. Em algumas modalidades, pelo menos um cabo de energia adicionalmente compreende uma camada isolante elétrica envolvendo pelo menos uma porção da segunda camada condutora térmica. Em pelo menos uma modalidade, pelo menos um cabo de energia adicionalmente compreende uma camada isolante térmica envolvendo pelo menos uma porção da camada isolante elétrica.

[00015] Em uma ou mais modalidades, é descrito um método para resfriar um cabo de energia. O método compreende prover para o cabo de energia um condutor térmico alongado. O método adicionalmente compreende prover para o cabo de energia uma camada condutora elétrica envolvendo pelo menos uma porção do condutor térmico alongado. Em adição, o método compreende transferir o calor gerado no cabo de energia, via condutor térmico alongado, a pelo menos uma extremidade do cabo de energia.

[00016] Em pelo menos uma modalidade, um método para gerar especificações para um cabo de energia compreende prover para pelo menos um computador, requisitos, condições, e restrições para o cabo de energia. Em uma ou mais modalidades, os requisitos compreendem requisitos elétricos para o cabo de energia, as condições compreendem materiais de fabricação para o abo de energia, e as restrições compreendem restrições de temperatura para o cabo de energia. O método adicionalmente compreende gerar, com pelo menos um computador, um conjunto de algoritmos elétricos e térmicos de estado estável para o cabo de energia usando os requisitos, condições, e restrições providos para o cabo de energia. Ademais, o método compreende calcular, com pelo menos um computador, as especificações para o cabo de energia, usando o conjunto de algoritmos elétricos e térmicos de estado estável para o cabo de energia.

[00017] As características, funções, e vantagens poderão ser conseguidas independentemente em várias modalidades da presente invenção, ou combinados em ainda outras modalidades.

Desenhos

[00018] Estas e outras características e vantagens da presente invenção serão mais bem entendidas com referência à descrição a seguir, e reivindicações e projetos anexos, em que:

[00019] A FIG. 1A é uma vista de extremidade em seção transversal representando as diferentes camadas do cabo de energia de alta potência e de alta frequência descrito, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta.

[00020] A FIG. 1B é uma vista em seção transversal representando as diferentes camadas do cabo de energia de alta potência e de alta frequência descrito, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta.

[00021] A FIG. 2 é um gráfico provendo informações históricas para profundidades de pele de diferentes condutores que podem ser empregadas para o cabo de energia descrito, que são fabricados a partir de diferentes materiais função de frequência de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta.

[00022] A FIG. 3A é um diagrama esquemático de um projeto exemplar do cabo de energia de alta potência e de alta frequência descrito, mostrando ambas as vistas, vista em seção transversal na direção radial e vista em seção transversal na direção axial, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta. Na vista em seção transversal na direção axial, apenas a metade superior da metade esquerda do cabo de energia é mostrada, devido ao fato de o cabo de energia ser termicamente simétrico em torno da linha de centro axial ao longo do cabo de energia, e também em torno do plano seccional na direção radial no ponto médio do cabo de energia. Nesta FIG., as condições limites para simulação de desempenho de um cabo de energia são especificadas.

[00023] A FIG. 3B é um diagrama esquemático de um cabo de energia tendo um único condutor sólido convencional com uma camada isolante elétrica, mostrando ambas vistas, vista em seção transversal na direção radial e vista em seção transversal na direção axial. Na vista em seção transversal na direção axial apenas a metade superior da metade esquerda do cabo de energia é mostrada, pelo fato de o cabo de energia ser termicamente simétrico em torno da linha de centro axial ao longo do cabo de energia, e, também, em torno do plano de seccional transversal na direção radial no ponto médio. Nesta FIG., são especificadas as condições limite para simulação de desempenho de um cabo de energia.

[00024] A FIG. 4 é um diagrama esquemático mostrando a distribuição de temperatura da metade esquerda de um cabo de energia de alta potência e alta frequência descrito da FIG. 3A, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta.

[00025] A FIG. 5 é um diagrama esquemático mostrando a distribuição de temperatura do cabo de energia convencional da FIG. 3B.

[00026] A FIG. 6A é uma vista de extremidade em seção transversal representando as diferentes camadas de outra modalidade do cabo de energia de alta potência e de alta frequência descrito, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta.

[00027] A FIG. 6B é uma vista lateral em seção transversal representando as diferentes camadas do cabo de energia de alta potência e alta frequência descrito da FIG. 6A, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta.

[00028] A FIG. 7A é uma vista de extremidade em seção transversal representando as diferentes camadas de ainda outra modalidade do cabo de energia de alta potência e alta frequência descrito, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta.

[00029] A FIG. 7B é uma vista em seção transversal representando as diferentes camadas do cabo de energia de alta potência e alta frequência descrito da FIG. 7A, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta.

[00030] A FIG. 8 é um fluxograma do método descrito para gerar especificações para um cabo de energia de alta potência e alta frequência, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta.

Descrição

[00031] Os métodos e cabos descritos nesta proveem um sistema operativo para cabos de energia de alta potência e de alta frequência. Especificamente, este sistema emprega um projeto de cabo de energia que compreende estrutura concêntrica multicamada, que permite que o calor seja removido do cabo de energia via uma ou ambas as extremidades do cabo de energia. A estrutura concêntrica multicamada do projeto de cabo de energia descrito inclui um condutor térmico alongado, uma camada condutora elétrica envolvendo o condutor térmico alongado, e uma camada isolante térmica opcional envolvendo a camada isolante elétrica.

[00032] Em uma ou mais modalidades, o projeto de cabo de energia emprega um condutor elétrico de forma cilíndrica. A forma cilíndrica do condutor elétrico permite minimizar a utilização de material metálico, levando em conta efeito de pele de corrente alternada (CA) de alta frequência. O condutor térmico alongado central pode ser fabricado a partir de vários materiais, que devem ser flexíveis, leves, e ter uma condutividade térmica muito alta. Tipos de material com que o condutor térmico alongado central pode ser fabricado incluem, sem limitação, grafite pirolítico e nanotubos de carbono (CNTs).

[00033] O projeto de cabo de energia descrito permite que o calor no cabo de energia seja transportado, via condutor térmico alongado, para pelo menos uma das extremidades do cabo de energia. O condutor térmico alongado central é fabricado a partir de materiais tendo uma condutividade térmica ultra-alta, maior que de condutores metálicos, daí permitindo a dissipação de calor de pelo menos uma das extremidades do cabo de energia. A camada condutora elétrica maximiza a utilização de materiais condutores, levando em conta efeito de pele, daí reduzindo o peso do cabo. Para algumas aplicações, uma camada isolante térmica é empregada para o cabo de energia descrito. Esta camada isolante térmica externa opcional impede que a calor dissipe no ar ambiente através da superfície do cabo de energia. Uma vez removido do cabo de energia o calor produzido a partir do mesmo, via pelo menos uma extremidade do cabo de energia, as extremidades do cabo de energia proveem uma interface fácil para um sistema de resfriamento.

[00034] O projeto de cabo de energia descrito pode ser usado para uma ampla variedade de aplicações. Tipos de aplicações que podem ser usados para o projeto de cabo de energia descrito incluem, sem limitação, sistemas de distribuição de energia elétrica para aeronaves, e outras aplicações industriais, em que o cabo de energia de alta potência e de alta frequência são utilizados. Uma análise de projeto mostra que o projeto de cabo de energia descrito em comparação com um projeto de cabo de energia convencional reduz o peso global em cerca de 30% e o uso de alumínio em cerca de 54%, enquanto preserva a capacidade de conduzir corrente.

[00035] A presente invenção provê uma solução para reduzir a temperatura de um cabo de energia de alta potência e de alta frequência. A temperatura de cabo de energia energizado pode ser muito alta devido ao aquecimento ôhmico do condutor. A corrente alternada (CA) de alta frequência aumenta ainda mais a temperatura devido ao efeito de pele. A alta temperatura degrada a capacidade de conduzir corrente do cabo de energia e acelera o envelhecimento da isolação de cabo de energia, e pode ser prejudicial aos equipamentos e estruturas vizinhos. O calor liberado do cabo de energia em uma área fechada, tal como baías de equipamento elétrico em aeronaves ou edifícios, acrescenta uma significativa carga térmica ao sistema de controle ambiental.

[00036] Sistemas de distribuição de aeronaves requerem alta potência e alta frequência, peso reduzido, devem ser facilmente resfriáveis, e constituídos de cabos relativamente curtos. Tipicamente, os sistemas de distribuição de energia elétrica em aeronaves operam com potências da ordem de quilowatts a megawatts. A faixa de frequência de corrente alternada CA varia de centenas de Hz a milhares de Hz. A extensão do cabo de energia tipicamente varia de poucos pés a centenas de pés. Os cabos de energia, usados por sistemas de distribuição de energia de aeronaves, durante operação, podem ser aquecidos até uma centena de graus Celsius, devido a perdas ôhmicas e efeito de pele. A alta temperatura reduz a capacidade de conduzir corrente do cabo de energia, e pode ser prejudicial aos suportes de cabo de energia e à fuselagem da aeronave, feita de material compósito. A dissipação de calor no ambiente introduz uma carga adicional de calor no sistema de controle ambiental, aumentando o consumo de combustível, e baixando a eficiência do sistema.

[00037] Como mencionado previamente para projetos correntes de cabos de energia convencionais, o calor é liberado do cabo de energia ao longo da sua superfície. Assim, um sistema de resfriamento volumoso é requerido para estes projetos de cabo de energia convencionais, para manter a temperatura do cabo de energia abaixo de um limite de temperatura máximo.

[00038] Projetos de cabo de energia convencionais tipicamente usam quer um condutor sólido, ou condutores multifio, ou uma combinação dos mesmos, em que condutores multifio envolvem um condutor sólido. No entanto, todos estes cabos de energia convencionais são pesados e não proveem uma dissipação térmica eficiente.

[00039] Um método de resfriamento típico para um cabo de energia, usado na indústria, compreende fazer circular um líquido refrigerante, tal como água ou óleo, através de tubos que seguem próximos do cabo de energia. Neste caso, o calor é removido da superfície externa do cabo de energia. Esta solução particular tem a desvantagem de ser volumosa e pesada. Outro método de resfriamento de cabo de energia típico usado na indústria compreende um sistema de resfriamento de espaço, tal como um sistema de ar condicionado. Para esta solução, o cabo de energia é alojado em uma área fechada que é resfriada por um sistema de resfriamento de espaço. O sistema de resfriamento de espaço tem a desvantagem de ser volumoso e pesado. Assim, para atender melhor às necessidades da indústria, o sistema e método da presente invenção proveem um conjunto de cabo de energia, que provê um eficiente uso de materiais e dissipação térmica eficiente, enquanto, ao mesmo tempo, são adequados para transferência de potências elevadas, e transmissão de energia em alta frequência.

[00040] Na descrição a seguir, um número de detalhes será estabelecido, para prover uma descrição mais abrangente do sistema. Deve ser aparente, no entanto, para aqueles versados na técnica, que o sistema descrito pode vir a ser praticado sem tais detalhes específicos. Em outras situações, características bem conhecidas não serão descritos em detalhes, para não obscurecer o sistema desnecessariamente.

[00041] A FIG. 1A é uma vista de extremidade em seção transversal de diferentes camadas do cabo de energia de alta potência e alta frequência 100, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta, e a FIG. 1B uma vista lateral em seção transversal representando as diferentes camadas do cabo de energia de alta potência e alta frequência 100, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta.

[00042] Nestas figuras, o cabo de energia 100 (por exemplo, cabo de energia) é mostrado com quatro camadas 110, 120, 130, 140. A primeira camada 110, localizada no centro do cabo de energia 100, é um condutor térmico alongado 110. O condutor térmico alongado 110 pode ser fabricado a partir de vários materiais diferentes, que devem ser flexíveis, leves, e ter uma condutividade térmica muito alta. Os tipos de material com que o condutor térmico alongado 110 pode ser fabricado incluem, sem limitação, grafite pirolítico e nanotubos de carbono (CNTs). Como o condutor térmico alongado central 110 é fabricado a partir de materiais tendo uma condutividade térmica muito alta (isto é, uma condutividade térmica mais alta que condutores metálicos), o condutor térmico alongado central 110 é capaz de transportar o calor gerado no cabo de energia 100 para pelo menos uma das extremidades do cabo de energia 100.

[00043] Em adição, na FIG. 1A, o condutor térmico alongado central 110 é mostrado tendo a seção transversal com forma circular. No entanto, deve ser notado que, em outras modalidades, o condutor térmico alongado central 110 pode ser fabricado com uma seção transversal com formas diferentes da forma circular, incluindo, sem limitação, forma retangular e forma poligonal.

[00044] Também mostrado nas FIGS. 1A e 1B, a camada condutora elétrica 120 é mostrada envolvendo o condutor térmico alongado central 110. A camada condutora elétrica 120 pode ser fabricada tendo um único fio sólido central ou múltiplos fios. A camada condutora elétrica 120 pode ser fabricada a partir de vários materiais condutores diferentes, incluindo, sem limitação, ligas de cobre, ligas de alumínio, e combinação de cobre, ferro, e ligas de prata.

[00045] Adicionalmente, uma camada isolante elétrica 130 é mostrada nas FIGS. 1A e 1B envolvendo a camada de condutora elétrica 120. A camada isolante elétrica 130 pode ser fabricada a partir de diversos tipos de materiais isolantes, incluindo, sem limitação, policloreto de vinila (PVC), fluoroetilenopropileno (FEP) ou politetrafluoretileno (TFE) (Teflon®).

[00046] Uma camada isolante elétrica 140 é mostrada nas FIGS. 1A e 1B envolvendo a camada isolante elétrica 130. A camada isolante térmica 140 é uma camada opcional, que pode ser apropriada para ser utilizada em algumas aplicações. Esta camada isolante térmica externa opcional 130 é usada para impedir a dissipação térmica para o ar ambiente através da superfície externa do cabo de energia 100. A camada isolante térmica 140 é requerida quando o aquecimento no espaço é proibido, que pode ser causado pelo calor sendo dissipado a partir da superfície externa do cabo de energia 100. Quando a camada isolante térmica 140 é empregada pelo cabo de energia 100 descrito, o calor é somente transferido via condutor térmico central 110. Deve ser notado que a camada isolante elétrica 140 não é necessária, em razão de haver um efeito de resfriamento por convecção na superfície do cabo de energia 100.

[00047] A FIG. 2 é um gráfico 200 provendo informações históricas das profundidades da pele de diferentes condutores, que podem ser empregados para o cabo de energia descrito, que são fabricados a partir de vários materiais diferentes, em função da frequência, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente invenção. Nesta FIG., a profundidade de superfície (δ) em milímetros, para vários diferentes materiais condutores (ferrita de manganês-zinco), alumínio (Al) cobre (Cu) aço 410, ferrosílicio (Fe-Si) e ferroníquel (Fe-Ni), é mostrada versus a frequência (f) em kilohertz (kHz).

[00048] A corrente elétrica alternada (CA) tem a tendência de se distribuir em um condutor, de modo que a densidade de corrente seja maior na superfície do condutor e diminua para o interior do condutor. A profundidade de pele é definida como a distância abaixo da superfície externa do condutor para qual a corrente elétrica principalmente flui (por exemplo, na qual a densidade de corrente cai para 1/e (cerca de 0,37) da densidade de corrente na superfície do condutor). Assim, qualquer condutor fabricado para ser significativamente mais grosso que sua profundidade de pele, não provê um uso eficiente daquele condutor. Referindo-se à FIG. 2, por exemplo, uma profundidade de pele de alumínio (Al) para uma frequência de 400 hertz (Hz) é cerca de 4 milímetros, e a profundidade de pele de alumínio (Al) para uma frequência (f) de 2 kHz é cerca de 2 milímetros.

[00049] A FIG. 3A é um diagrama esquemático de um projeto exemplar 300 para o cabo de energia de alta potência e de alta frequência descrito, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta. Na FIG. 3A, a vista em seção transversal na direção radial do cabo 305 é mostrada no lado esquerdo e a vista em seção transversal no lado esquerdo na direção axial 315 mostrada no lado direito. Somente a parte superior do meio cabo de energia é mostrada na vista em seção transversal na direção axial 315, porque (1) o cabo é termicamente simétrico em relação ao plano de seção médio do cabo de energia por ser resfriado em ambas as extremidades, e (2) o cabo é termicamente simétrico em relação à linha de centro axial por causa do projeto concêntrico.

[00050] Nesta FIG., o projeto exemplar 300 para o cabo de energia descrito tem um raio 350 (R3) de 13 mm. Em adição, para este projeto exemplar 300 do cabo de energia descrito, o condutor térmico alongado central tem um raio 330 (R1) de 8,5 milímetros, e é fabricado de grafite pirolítico, que tem uma condutividade térmica de 1000 Watts per metro vezes a temperatura em graus Kelvin (W/(m*K)). Ademais, para este cabo de energia, a camada condutora elétrica tem a espessura 335 (R2- R1) de 4 milímetros, um raio 340, e é fabricado a partir de alumínio, que tem uma condutividade térmica típica de 155 W/(m*K) e resistividade de 2,82 e-8 ohm*metro(Q*m). Adicionalmente, a camada isolante elétrica tem uma espessura 345 (R3-R2) de 0,5 milímetro, e condutividade térmica típica de 0,26 W/(m*K).

[00051] Também como mostrado na FIG. 3A, as condições limites são marcadas na vista em seção transversal na direção axial 315 no cabo de energia. A superfície externa da camada isolante elétrica do cabo de energia tem um resfriamento de convecção natural 360 (isto é, resfriamento ao ar ambiente com temperatura ambiente de 300° K (Kelvin)). O coeficiente de transferência de calor para resfriamento de convecção natural para a superfície do cabo de energia é 8,5 watts per metro2 vezes a temperatura em graus kelvin (w/m2*k). Assume-se haver uma perda por aquecimento resistivo de 32,8 watts per metro (W/m) (isto é, 10 watts per pé (W/pé) ao longo do comprimento do cabo de energia). Para este projeto exemplar 300 é provido um sistema de resfriamento (não mostrado) anexado a ambas extremidades do cabo de energia 12 para realizar um resfriamento de temperatura fixa de 300K 385. Para este projeto 300, a temperatura máxima admissível (isto é, limite máximo de temperatura) para o cabo de energia é 353°k (isto é, cerca de 80°C (Celsius)).

[00052] A FIG. 3B é um diagrama esquemático de um único cabo de energia sólido convencional, mostrando ambas vistas, vista em seção transversal na direção radial 306 e vista em seção transversal na direção axial 316. Uma verificação por simulação em computador foi realizada com respeito ao desempenho do projeto exemplar 300 para o cabo de energia de alta potência e de alta frequência descrito, em comparação com um cabo de energia de condutor sólido único convencional 310, nas mesmas condições de resfriamento de superfície de cabo, e conduzindo a mesma corrente.

[00053] Na FIG. 3B, o cabo de energia convencional 310 tem um raio 350 (R3) de 13 milímetros. O condutor térmico alongado central 355 tem um raio 340 (R2) de 125 milímetros e sendo fabricado de alumínio, que tem uma condutividade térmica típica de 155 w/(m*k) e resistividade elétrica típica de 2,82 e-8 ohm*metro (Q*m). A camada isolante elétrica 345 tem uma espessura R3-R2 de 0,5 milímetros, tendo uma condutividade térmica típica de 0,26 w/(m*k). Ambos, cabo de energia convencional 310 e cabo de energia de projeto 300 descrito para alta potência e alta frequência têm os mesmos R2 340 e R3 350, tendo as mesmas condições de limite térmico 360, 370, 390. Para o cabo de energia convencional 310, ambas as extremidades do cabo de energia são resfriadas por convecção natural 480. Como no projeto 300, a máxima temperatura admissível (isto é, máximo limite de temperatura) para o cabo de energia convencional 310 é 355°k (isto é, cerca de 80° C).

[00054] A FIG. 4 é um diagrama esquemático mostrando o resultado da simulação da distribuição de temperatura ao longo de meio cabo de energia do projeto 300 da FIG. 3A para o cabo de energia de alta potência e de alta frequência descrito, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta. Nesta FIG., o cabo de energia 400 é mostrado tendo sua extremidade esquerda 410 conectada a um sistema de resfriamento. Não passa fluxo de calor através do plano de ponto médio 420 para o cabo de energia. Deve ser notado que o cabo de energia 400 é fabricado de acordo com as especificações do projeto 300 da FIG. 3A, e tem uma temperatura máxima admissível (isto é, limite máximo de temperatura) de 353o kelvin (isto é, cerca de 80°C) para impedir que a camada isolante venha a sofrer danos causados por calor.

[00055] Para o cabo de energia 400 da FIG. 4, um conector térmico (não mostrado) é conectado ao condutor térmico central do cabo de energia 400 em uma extremidade 410 do cabo de energia 400. O conector térmico é acoplado (isto é, usado como interface) a um sistema de resfriamento (não mostrado). Como mostrado na FIG. 4, a extremidade 410 do cabo de energia 400, conectada ao sistema de resfriamento, é resfriada a uma temperatura de 300 K, e no ponto médio do cabo de energia 400, a temperatura fica entre 352,4o e 353,2oK.

[00056] Deve ser notado que para esta FIG. do projeto exemplar, ambas as extremidades do cabo de energia 400 são conectadas a sistemas de resfriamento (a extremidade direita não sendo mostrada). No entanto, em outras modalidades, apenas uma extremidade do cabo de energia 400 pode ser conectada a um sistema de resfriamento. Nestas modalidades, a extremidade do cabo de energia 400 conectada a um sistema de resfriamento tem um conector térmico ligado ao condutor térmico central do cabo de energia 400, qual conector térmico é ligado ao sistema de resfriamento.

[00057] A FIG. 5 é um diagrama esquemático dos resultados da simulação da distribuição de temperatura do cabo de energia convencional da FIG. 3B, em que somente resfriamento ambiental é provido para o cabo de energia 400. Deve ser notado que cabo de energia 500 tem uma temperatura máxima admissível (isto é, limite máximo de temperatura) de 353° Kelvin (isto é, cerca de 80°C) para impedir que a camada isolante sofra danos provocados por calor.

[00058] Nesta FIG., o cabo de energia 500 é mostrado com a extremidade esquerda 510 do cabo de energia 500 resfriada por convecção natural (isto é, com ar ambiente para uma temperatura de 300 k), não passando um fluxo de calor através do ponto médio do plano do cabo de energia. Similarmente, o coeficiente de transferência de calor é 8,5 w/(m*k) para a superfície, quando é usado resfriamento de convecção natural. Como mostrado nesta FIG., sem condutor térmico no centro do cabo de energia 500, o cabo de energia 500 apresenta temperaturas que variam de 358,6o K na extremidade 510 com resfriamento de convecção natural para um valor tão alto quanto 359,8ok. Assim, a temperatura do cabo de energia 500 excede a temperatura máxima admissível (isto é, excede o limite de temperatura máximo) do cabo de energia 500 de 353° k.

[00059] A FIG. 6A é uma vista de extremidade em seção transversal representando diferentes camadas de outra modalidade do cabo de energia de alta potência e de alta frequência descrito 600, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta, e a FIG. 6B uma vista lateral em seção transversal, representando as diferentes camadas do cabo de energia de alta potência e de alta frequência 600 descrito da FIG. 6A, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta.

[00060] Nestas figuras, o cabo de energia 600 é mostrado tendo cinco camadas 610, 620, 630, 640, 650. A primeira camada 610, localizada no centro do cabo de energia 600, é um condutor térmico alongado 610. O condutor térmico alongado central 620 pode ser fabricado a partir de vários materiais, que devem ser flexíveis, leves, e ter uma condutividade térmica muito alta. Tipos de material a partir dos quais o condutor térmico alongado central 610 pode ser fabricado incluem, sem limitação, grafite pirolítico e nanotubos de carbono (CNTs). Como o condutor térmico alongado central 610 é fabricado a partir de materiais de condutividade térmica ultra-alta (isto é, materiais com condutividade térmica mais alta que condutores metálicos), o condutor térmico alongado central 610 é capaz de transportar o calor gerado no cabo de energia 600 para pelo menos uma das extremidades do cabo de energia 600.

[00061] Em adição, na FIG. 6A, o condutor térmico alongado central 610 tem uma seção transversal com forma circular. No entanto, deve ser notado que, em outras modalidades, o condutor térmico alongado central 610 pode ser fabricado tendo uma seção transversal de forma diferente da forma circular, incluindo, sem limitação, uma forma retangular e uma forma poligonal.

[00062] Como também mostrado nas FIGS. 6A e 6B, uma camada condutora elétrica envolve o condutor térmico alongado central 610. A camada condutora elétrica 620 pode ser fabricada a partir de quer um único fio ou múltiplos fios. A camada condutora elétrica 620 pode ser fabricada a partir de vários materiais condutores diferentes, incluindo, sem limitação, ligas de cobre, ligas de alumínio, combinações de cobre, ferro, e ligas de prata.

[00063] Ademais, uma segunda camada condutora térmica 630 é mostrada nas FIGS. 6A e 6B envolvendo a camada condutora elétrica 620. A segunda camada condutora térmica 630 pode ser fabricada a partir de vários materiais diferentes, incluindo, sem limitação, grafite pirolítico e nanotubos de carbono (CNTs).

[00064] Ademais, a camada isolante elétrica 640 é mostrada envolvendo a camada de condutora elétrica 630. A camada isolante elétrica 130 pode ser fabricada a partir de diversos tipos de materiais isolantes incluindo, sem limitação, policloreto de vinila (PVC), fluoroetilenopropileno (FEP) ou politetrafluoretileno (TFE) (Teflon®).

[00065] Uma camada isolante térmica 650 é mostrada nas FIGS. 6A e 6B envolvendo a camada isolante elétrica 640. A camada isolante térmica 650 é uma camada opcional, apropriada para uso em algumas aplicações. A camada isolante térmica 650 externa opcional é usada para impedir a dissipação de calor para o ar ambiente através da superfície externa do cabo de energia 600.

[00066] A FIG. 7A é uma vista de extremidade em seção transversal representando as diferentes camadas de ainda outra modalidade do cabo de energia de alta potência e de alta frequência 700 descrito, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta, e a FIG. 7B uma vista lateral em seção transversal representando diferentes camadas do cabo de energia de alta potência e alta frequência 700 da FIG. 7A, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta.

[00067] Nestas figuras, o cabo de energia 70 é mostrado tendo cinco camadas 710, 720, 730, 740, 750. A primeira camada 710, localizada no centro do cabo de energia 700, é um condutor térmico alongado 710. O condutor térmico alongado central 710 pode ser fabricado a partir de vários materiais diferentes que devem ser flexíveis, leves, e ter uma condutividade térmica muito alta. Muitos tipos de materiais que condutor térmico alongado central 710 podem ser fabricados, incluindo, sem limitação, grafite pirolítico e nanotubos de carbono (CNTs). Como o condutor térmico alongado central 710 é fabricado a partir de materiais tendo uma condutividade térmica muito alta (isto é, materiais com condutividade térmica maior que de materiais metálicos) o condutor térmico alongado central 710 é capaz de transportar o calor gerado no cabo de energia 700 para pelo menos uma das extremidades do cabo de energia 700.

[00068] Em adição, na FIG. 7A, o condutor térmico alongado central 710 é ilustrado tendo a seção transversal em forma circular. No entanto, deve ser notado que, em outras modalidades, o condutor térmico alongado central 610 pode ser fabricado tendo uma seção transversal de forma diferente da forma circular, incluindo, sem limitação, uma forma retangular e uma forma poligonal.

[00069] Também como mostrado nas FIGS. 7A e 7B, uma camada condutora elétrica 720 envolve o condutor térmico alongado central 710. A camada condutora elétrica 720 pode ser fabricada a partir de um único fio ou múltiplos fios. Ademais, a camada de condutora elétrica 620 pode ser fabricada a partir de vários materiais condutores diferentes, incluindo, sem limitação, ligas de cobre, ligas de alumínio, combinações de cobre, ferro, e ligas de prata.

[00070] Ademais, a camada isolante elétrica 730 é mostrada envolvendo a camada de condutora elétrica 720. A camada isolante elétrica 730 pode ser fabricada a partir de diversos tipos de materiais isolantes incluindo, sem limitação, policloreto de vinila (PVC), fluoroetilenopropileno (FEP) ou politetrafluoretileno (TFE) (Teflon®).

[00071] Uma camada de blindagem 740 é mostrada nas FIGS. 7A e 7B envolvendo a camada isolante elétrica 730. A camada de blindagem 740 é usada para prover isolação contra interferência eletromagnética (EMI) e/ou retorno de corrente. A camada de blindagem 740 pode ser fabricada a partir de vários diferentes tipos de materiais condutores elétricos, incluindo, sem limitação, ligas de cobre, ligas de alumínio, e combinação de cobre, ferro, e liga de prata.

[00072] Em adição, uma segunda camada isolante elétrica 750 é mostrada envolvendo a camada de condutora elétrica 740. A segunda camada isolante elétrica 750 pode ser fabricada a partir de diversos tipos de materiais isolantes incluindo, sem limitação, policloreto de vinila (PVC), fluoroetilenopropileno (FEP) ou politetrafluoretileno (TFE) (Teflon®).

[00073] A FIG. 8 é um fluxograma do método descrito 800 para gerar especificações para um cabo de energia de alta potência e de alta frequência, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente descoberta. No início 810 do método 800, são providos requisitos, condições, e restrições para o cabo de energia a pelo menos um computador 820. Requisitos para o cabo de energia incluem requisitos elétricos para cabo de energia, tal como voltagem nominal de cabo de energia em Volts (V), amperagem em ampères (I) para o cabo de energia, e frequência (f) da corrente alternada (CA) operativa do cabo de energia. As condições para o cabo de energia incluem parâmetros geométricos, tais como geometria da seção transversal (por exemplo, circular, retangular, etc.), comprimento (L). Em adição, as condições para o cabo de energia incluem parâmetros para materiais de fabricação, tal como condutividade elétrica (a), condutividade térmica (kc), permeabilidade (μ), e coeficiente de temperatura da resistividade (α) para a camada condutora térmica; a condutividade térmica (kt) para a camada condutora térmica; e a constante dielétrica (ε), condutividade térmica (ki), e voltagem de ruptura (Vb) para a camada isolante dielétrica. Restrições para cabos de energia incluem restrições térmicas para o cabo de energia, tal como temperatura máxima admissível (Tmax esta temperatura pode ser a temperatura máxima admissível da camada isolante ou estrutura em que o cabo de energia é suportado, a que for menor), temperatura ambiente (Ta), e temperatura do refrigerante (Ti) na extremidade do cabo. Restrições para o cabo de energia também incluem restrições de segurança, tais como restrições relativas a fatores de segurança elétrico e/ou térmicos específicos.

[00074] Então, pelo menos um computador gera um conjunto de algoritmos elétricos e térmicos de estado estável para o cabo de energia, usando requisitos, condições, e restrições providas para o cabo de energia 830. O pelo menos um computador, então, calcula as especificações de fabricação para o cabo de energia (por exemplo, raios R1, R2, R3, etc. das camadas do cabo de energia) usando conjunto de algoritmos elétricos e térmicos de estado estável para o cabo de energia 840. Depois de calculadas as especificações de fabricação, o método 800 termina 850. Deve ser notado que, em modalidades alternativas, ferramentas de software padrão (por exemplo, método de elemento finito por software) podem ser usadas, para calcular as especificações de fabricação para o cabo de energia.

[00075] Embora, certas modalidades e métodos ilustrativos tenham sido descritos nesta, será aparente àqueles versados na técnica, a partir da descrição acima, que um número de variações e modificações de tais modalidades e métodos poderá ser introduzido à presente invenção, sem sair do verdadeiro espírito e escopo da técnica descrita. Muitos outros exemplos de técnica descrita com certeza existem, diferindo entre si somente em detalhes. Por conseguinte, pretende-se que a técnica descrita seja limitada apenas na extensão provida pelas reivindicações anexas, e regras e princípios estabelecidos por sua leitura.

Claims

1. Cabo de energia (100, 300, 400, 500, 600, 700) para um sistema de distribuição de energia de aeronave, o cabo de energia (100, 300, 400, 500, 600, 700) compreendendo: um condutor térmico alongado (110, 610,710) fabricado a partir de grafite pirolítico ou nanotubos de carbono; e uma camada condutora elétrica (120, 620,720) envolvendo pelo menos uma porção do condutor térmico alongado (110, 6110, 710), a camada condutora elétrica fabricada a partir de uma liga de cobre, uma liga de alumínio ou uma combinação de ligas de prata, ferro e cobre; em que o calor gerado no cabo de energia (100, 300, 400, 500, 600, 700) é transferido via condutor térmico alongado (110, 610, 710) a pelo menos uma extremidade do cabo de energia (100, 300, 400, 500, 600, 700), em que o cabo de energia adicionalmente compreende uma camada condutora térmica (630) envolvendo pelo menos uma porção da camada condutora elétrica (620); em que o cabo de energia adicionalmente compreende uma camada isolante elétrica (640) envolvendo pelo menos uma porção da segunda camada condutora térmica (630); e caracterizado pelo fato de que o cabo de energia adicionalmente compreende uma camada isolante térmica (650) envolvendo pelo menos uma porção da camada isolante elétrica (640).

2. Cabo de energia (100, 300, 400, 500, 600, 700), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada isolante elétrica (640) é fabricada a partir de policloreto de vinila (PVC), fluoroetilenopropileno (FEP) e politetrafluoretileno (TFE).

3. Sistema de distribuição de energia, o sistema de distribuição de energia caracterizado pelo fato de que compreende: pelo menos um cabo de energia, conforme definido na reivindicação 1 ou 2, e pelo menos um sistema de resfriamento conectado a pelo menos uma das extremidades do pelo menos um cabo de energia.

4. Método (800) para resfriar um cabo de energia (100, 300, 400, 500, 600) para um sistema de distribuição de energia de aeronave, o método caracterizado pelo fato de que compreende: prover, para o cabo de energia (300, 400, 500, 600), um condutor térmico alongado (610) fabricado a partir de grafite pirolítico ou nanotubos de carbono; prover, para o cabo de energia, uma camada condutora elétrica (620) envolvendo pelo menos uma porção do condutor térmico alongado (110, 610, 710); em que a camada condutora elétrica é fabricada a partir de uma liga de cobre, uma liga de alumínio ou uma combinação de cobre, ligas de ferro e prata; prover, para o cabo de energia, uma segunda camada condutora térmica (630) envolvendo pelo menos uma porção da camada condutora elétrica (620) prover, para o cabo de energia, uma camada isolante elétrica (640) envolvendo pelo menos uma porção da segunda camada condutora térmica (630); e prover, para o cabo de energia, uma camada isolante térmica (650) envolvendo pelo menos uma porção da camada isolante elétrica (640), e transferir o calor gerado no cabo de energia via condutor térmico alongado (110, 610, 710) para pelo menos uma extremidade do cabo de energia.