ES2344201T3 - Conducto de multiples capas. - Google Patents
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Abstract
Conducto (D) de múltiples capas para la distribución de aire en sistemas de aire acondicionado, en particular, aunque sin carácter exclusivo, para vehículos aeroespaciales, hecho de un solapamiento de capas que comprende lo siguiente: - una película (1) de polímeros básicamente estanca a los fluidos que define la pared interior del conducto y está en contacto con el flujo de aire interior; y - al menos una capa (2, 3) estructural de refuerzo formada por una lámina de fibras estructurales impregnada previamente con resina termoendurecible y que envuelve la película de polímeros, en las que: - al menos una primera capa (3) funcional eléctricamente conductora formada por una lámina que comprende fibras conductoras impregnadas previamente con resina termoendurecible; y - al menos una segunda capa (4) funcional eléctricamente aislante formada por una lámina que comprende fibras funcionales aislantes adecuadas impregnada previamente con resina termoendurecible que envuelve dicha al menos una primera capa funcional eléctricamente conductora.
Description
Conducto de múltiples capas.
La presente invención se refiere a un conducto
de múltiples capas para la distribución de aire en sistemas de aire
acondicionado, en particular, aunque no de forma exclusiva, para
vehículos aeroespaciales.
La tecnología de fabricación de conductos que
utiliza el solapamiento de capas de material para formar las
paredes del conducto ha sido testigo de la preponderancia de los
materiales compuestos avanzados en forma de los denominados
"materiales compuestos previamente impregnados", proporcionados
en rollos y/o láminas del grosor deseado.
Con "previamente impregnado" (material
compuesto previamente impregnado) se designa en lo sucesivo a un
tejido, cinta unidireccional, esterilla, hebra, tela no tejida,
etc., impregnados con matrices de polímeros que consisten en
resinas de diversa naturaleza, por ejemplo, resinas epoxy
termoendurecibles, resinas fenólicas, poliésteres, etc.,
proporcionados en forma de rollos y/u hojas laminadas. Las fibras
que forman la base previamente impregnada, es decir, el tejido,
etc., pueden ser las más variadas para llevar a cabo tareas
estructurales, conducir electricidad, etc.
Este material es capaz de adoptar, en la etapa
inicial de la formación, cualquier forma necesaria para el
conducto; desde la más simple de una tubería en forma de cilindro
que tiene una sección cilíndrica o elíptica, hasta las más
complejas, por ejemplo, colectores, juntas, conexiones y
similares.
La presencia de fibras estructurales, por
ejemplo, fibras de vidrio, fibras aramidas, fibras de rayón o fibras
de carbono proporcionadas en forma de tejido, tela no tejida u
otros materiales, proporciona al conducto las propiedades mecánicas
necesarias. Sin embargo, el uso de este tipo de materiales requiere
un gran cuidado en relación con la estanqueidad a fluidos (aire) del
conducto.
De hecho, las capas de fibras impregnadas
previamente muestran una porosidad que, además del tipo de resina
termoendurecible y el sistema de impregnación, depende básicamente
del número de capas utilizadas y/o del grosor relacionado. Por
tanto, para conseguir la estanqueidad a fluidos demandada es
necesario incrementar el grosor, con la consecuencia obvia del
incremento del peso por unidad de superficie (expresado en g/m^{2}
de la superficie externa del conducto). Sin embargo, se entiende
que, especialmente en aplicaciones aeronáuticas, es necesario
mantener el peso de cada componente tan reducido como sea
posible.
Por tanto, el proceso de fabricación puede
prever la aplicación de una capa de resina termoendurecible no
reforzada, es decir, una no basada en una base impregnada
previamente, normalmente una resina fenólica en estado líquido.
Esta aplicación complica notoriamente el proceso dado que no es
posible aplicar el grosor de resina necesario en un único paso. De
hecho, una resina de este tipo únicamente puede aplicarse con un
grosor mínimo, por ejemplo, para mantener su estabilidad e
integridad durante el paso subsiguiente de recocido, que completa la
aplicación. Por tanto, se requieren varios ciclos de aplicación de
resina que se alternan en cada caso con una prueba de
estanqueidad.
La prueba de estanqueidad sirve para comprobar
que el conducto, a la presión manométrica operativa estimada o a
presiones superiores, muestra la estanqueidad necesaria. En caso de
una respuesta negativa, se aplica una capa adicional de resina con
el correspondiente paso de recocido.
Una aplicación a modo de ejemplo de la presente
tecnología se describe en el documento EP-1.364.772
A1, limitado al uso de fibras de vidrio y carbono. Otro ejemplo de
conducto se conoce del documento
US-A-2004/00315532.
Por tanto, el problema técnico que subyace bajo
la presente invención se representa por la necesidad de obtener
conductos tan ligeros como sea posible, que muestren un
funcionamiento adecuado en términos de estanqueidad a fluidos y
puedan producirse a través de un procedimiento simplificado.
Además de estos requisitos, deberían
satisfacerse otras condiciones operativas tales como la consistencia
estructural del conducto de múltiples capas, el reducido ruido
asociado con el flujo del fluido y la conductividad eléctrica
opcional a lo largo del conducto para impedir la acumulación de
cargas electrostáticas generadas por la fricción del fluido (aire)
contra las paredes internas del conducto.
Este problema se soluciona mediante un conducto
de múltiples capas, según se ha especificado anteriormente, formado
a partir de un solapamiento de capas que comprende lo siguiente:
- \bullet
- una película de polímero básicamente estanca a los fluidos que define la pared interior del conducto;
- \bullet
- al menos una capa estructural de refuerzo formada por una lámina de fibras estructurales impregnadas previamente con resina termoendurecible que envuelve la película de polímero;
- \bullet
- una o varias capas funcionales adicionales de material previamente impregnado con fibras funcionales y/o estructurales.
\newpage
Con "capa estructural de refuerzo" se hace
referencia a una capa capaz de proporcionar las propiedades
estructurales necesarias al conducto.
Por "fibra estructural impregnada previamente
con una matriz de polímeros o una resina termoendurecible" se
hace referencia a una fibra capaz de aportar dichas propiedades
estructurales. Fibras estructurales, a modo de ejemplo, son fibra de
vidrio, fibra viscosa de rayón, fibra de carbono, fibra aramida,
etc.
Por "fibra funcional previamente impregnada
con una matriz de polímeros o una resina termoendurecible" se
hace referencia a una fibra capaz de conferir propiedades
adicionales tales como, por ejemplo, conductividad eléctrica,
aislamiento eléctrico, aislamiento térmico, transmisión óptica,
etc., a la capa de resina.
Entre las fibras conductoras eléctricas, a modo
de ejemplo, pueden mencionarse las fibras de carbono, que, como bien
se sabe, también llevan a cabo de forma excelente funciones
estructurales, y las fibras de boro, tungsteno, alúmina, cobre,
otros metales conductores, etc. Se propone que la misma fibra pueda
llevar a cabo al mismo tiempo tareas estructurales y funcionales.
Por tanto, las tareas funcionales podrían ser inherentes a la capa
de refuerzo.
Finalmente, entre las fibras aislantes
eléctricamente, a modo de ejemplo, pueden mencionarse las fibras de
vidrio y las fibras aramidas.
La resina de impregnación puede ser una resina
fenólica, poliéster, epoxy, resina poliimida, etc.
Una realización preferida del conducto según la
invención tiene un solapamiento de capas que comprende lo
siguiente:
- \bullet
- una película de polímeros básicamente estanca a los fluidos que define la pared interior del conducto;
- \bullet
- al menos una capa estructural de refuerzo formada por una lámina de fibras estructurales impregnada previamente con resina termoendurecible que envuelve la película de polímeros;
- \bullet
- al menos una primera capa funcional conductora eléctricamente formada por una lámina que comprende fibras conductoras impregnadas previamente con resina termoendurecible; y
- \bullet
- al menos una segunda capa funcional aislante eléctricamente formada por una lámina que comprende fibras funcionales aislantes adecuadas impregnadas previamente con resina termoendurecible.
La principal ventaja del conducto de múltiples
capas según se ha definido anteriormente radica en mostrar grosores
reducidos y, por tanto, un peso por unidad de superficie (peso
superficial) limitado que satisface los requisitos de estanqueidad
al aire. Con esto, la aplicación de capas adicionales de resina de
estanqueización a los fluidos resulta superflua.
Según el mismo concepto inventivo, la presente
invención proporciona un proceso para la fabricación de un conducto
tal como se ha especificado anteriormente, que comprende los
siguientes pasos:
- \bullet
- disponer secuencialmente, en un mandril de forma y sección adecuadas, una película de polímeros básicamente estanca a los fluidos que define la pared interior del conducto, al menos una capa estructural de refuerzo formada por una lámina de fibras estructurales impregnadas previamente con resina termoendurecible que envuelve la película de polímeros, y una o varias capas funcionales opcionales con fibras funcionales y/o estructurales adicionales impregnadas previamente con una resina termoendurecible;
- \bullet
- extraer el aire y otros gases o sustancias volátiles entre las capas mediante la aplicación de vacío;
- \bullet
- someter a las capas a un calentamiento a una temperatura establecida previamente y durante un periodo de tiempo predeterminado, manteniendo la aplicación de vacío para extraer los gases o cualquier sustancia volátil generada debido al calentamiento;
- \bullet
- enfriar las capas; y
- \bullet
- extraer o eliminar de otro modo el mandril.
Según una realización preferida del proceso, la
disposición de la película de polímeros en el mandril está
precedida por la aplicación en el mandril de un agente de
separación, por ejemplo, una resina de alcohol polivinílico (PVA) o
un poliéster aplicado mediante pulverización, lo que facilita la
extracción del mandril, al tiempo que contribuye a la menor
rugosidad interna del conducto, en particular, en el caso de que el
mandril sea de un tipo desechable no metálico.
La presente invención se describirá en lo
sucesivo según una realización preferida de la misma, proporcionada
a modo de ejemplo no restrictivo, y haciendo referencia a los
dibujos adjuntos, en los que:
la fig. 1 es una vista en perspectiva
parcialmente seccionada de un conducto de múltiples capas según la
invención;
la fig. 2 es una vista en perspectiva de un
elemento de soporte aplicado al conducto de múltiples capas según la
invención; y
la fig. 3 es una vista esquemática de un
detalle del conducto de la figura 1.
Haciendo referencia a las figuras, un conducto
de múltiples capas, en particular, para aplicaciones aeronáuticas,
se indica mediante D y se ilustra para mostrar las capas que lo
conforman.
Estas capas están dispuestas de forma coaxial y
se describirán desde el interior del conducto, donde se prevé el
paso del flujo de aire, hacia el exterior del conducto. La forma de
la sección del conducto ilustrado es básicamente circular, aunque se
ha propuesto que la forma del conducto y de su sección transversal
pueda ser cualquier otra.
El conducto D comprende una película 1 de
polímero básicamente estanca a los fluidos que define la pared
interior del conducto. De forma ventajosa, aunque no exclusivamente,
está formada por un material flexible de polímeros que puede
enrollarse alrededor de un mandril en la primera etapa de
fabricación del conducto.
El material polimérico puede ser un fluoruro de
polivinilo (PVF), un politetrafluoruro (PTF, PTFE), un material
fenólico o polifenólico, polisulfónico y poliimídico.
Preferiblemente, un material de este tipo se elige de un grupo que
comprende fluoruro polivinílico (PVF) y politetrafluoruro (PTF,
PTFE).
Según una realización preferida, una película de
polímero de este tipo se produce a partir de Tedlar^{TM} de un
grosor que oscila entre 15 y 75 \mum, proporcionado en forma de
una lámina extrudida con una superficie adhesiva dirigida a las
capas sucesivas de material previamente impregnado que se
describirán en lo sucesivo, estando revestida la superficie adhesiva
con una capa adhesiva basada en poliéster, epoxi o similar.
Según la presente realización, el conducto D
comprende adicionalmente una capa 2 estructural de refuerzo
estructural formada por una capa de fibras estructurales impregnada
previamente con una resina que envuelve la película 1 de
polímeros.
La capa 2 estructural de refuerzo podría
presentar un peso por unidad de superficie que oscila entre 50 y 150
g/m^{2} y estar hecha, por ejemplo, de una tela no tejida de
fibras viscosas de rayón en resina fenólica.
El conducto D comprende adicionalmente una
primera capa 3 funcional eléctricamente conductora formada por una
lámina de tejidos que comprenden fibras conductoras eléctricamente
impregnadas previamente.
De forma ventajosa, la primera capa 3 funcional
podría llevar a cabo también tareas estructurales. En la presente
realización, la primera capa 3 está hecha de una capa de tejido que
contiene fibras de carbono impregnadas previamente con resina
fenólica. El peso por unidad de superficie puede oscilar entre 250 y
400 g/m^{2}. De forma alternativa, podrían utilizarse tejidos
híbridos de fibras aramidas y fibras de carbono o incluso tejidos
híbridos de fibras de vidrio y fibras de carbono con un peso por
unidad de superficie básicamente comprendido en el intervalo antes
indicado.
El conducto D comprende adicionalmente una
segunda capa 4 funcional aislante eléctricamente formada por una
lámina de fibras funcionales aislantes adecuadas en forma de
material impregnado previamente.
Según la presente realización, la segunda capa 4
funcional está hecha de una capa de un grosor mínimo de fibras de
vidrio o fibras aramida impregnada previamente con resina fenólica.
El peso por unidad de superficie de esta capa podría ser > 60
g/m^{2}, por ejemplo, de 40 g/m^{2}.
El grosor de este solapamiento de capas podría
resultar en un grosor general muy reducido del conducto, que
oscilaría entre 0,50 y 0,750 mm, y un peso global por unidad de
superficie de aproximadamente 480 g/m^{2}, es decir,
aproximadamente la mitad del valor que alcanzaría con las técnicas
tradicionales.
Finalmente, el conducto D tiene una capa 5
exterior de un material térmicamente aislante proporcionado en forma
de una estera de poliamida que se añade al final del proceso de
fabricación, o durante la instalación.
Haciendo referencia a las figuras 2 y 3, se
describe un soporte 6 del conducto D que podría tener cualquier
forma y que comprende un par de pestañas 10 curvas que se adhieren
al conducto D.
En las pestañas 10, el conducto D comprende una
capa 7 de refuerzo en forma de una tira que rodea el contorno del
conducto D. Los refuerzos locales, separados de forma adecuada a lo
largo de los conductos, son necesarios, en particular, para
conductos que operan en vacío, es decir, con una presión manométrica
negativa.
De forma ventajosa, para explotar al máximo la
compatibilidad entre materiales similares, la capa funcional más
exterior, en este caso, la segunda capa 4 funcional eléctricamente
aislante, la capa 7 de refuerzo y el soporte 6 estarán hechos del
mismo tejido estructural impregnado previamente con resina
fenólica.
Se entiende que todos los componentes
mencionados cumplen los requisitos FTS sobre no inflamabilidad para
aplicaciones aeronáuticas y no aeronáuticas.
Con el conducto antes descrito se consiguen
diversas ventajas que se resumen a continuación:
- \bullet
- reducción drástica del peso por unidad de superficie en relación con otras soluciones adoptadas actualmente;
- \bullet
- incremento del factor de rigidez a la tensión, incremento de la resistencia media a la flexión, resistencia a la compresión y resistencia a la tensión;
- \bullet
- mejora de la resistencia a los impactos;
- \bullet
- disipación de las cargas electrostáticas generadas por el paso del flujo de aire (fluido); y
- \bullet
- bajo nivel de ruido asociado con el paso de fluido que implica una importante reducción de las pérdidas de carga a través del conducto.
Esta última ventaja se proporciona por el uso de
dicha película de polímeros, que, en la posición en que se
introduce, no sólo proporciona al conducto la estanqueidad al aire
necesaria, sino también reduce la rugosidad superficial interna del
mismo hasta un máximo de 10 \mum.
Esta peculiaridad se mejora adicionalmente,
sobre todo en el caso de utilizar mandriles no metálicos
desechables, con el uso del agente separador en el proceso, tal como
se ha definido y descrito anteriormente.
Asimismo, en el proceso se elimina el uso de
resinas fenólicas en estado líquido que deben aplicarse por
pulverización con las correspondientes precauciones de elaboración.
Asimismo, se garantiza una repetitividad mejorada del producto, que
ya no se verá afectado por ninguna variación localizada en la
porosidad de las capas superpuestas.
El experto en la técnica puede llevar a cabo
diversas modificaciones y variaciones adicionales del conducto de
múltiples capas antes mencionado y el proceso de fabricación para
satisfacer necesidades adicionales y contingentes, todas abarcadas,
no obstante, por el alcance protector de la presente invención según
se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (21)
1. Conducto (D) de múltiples capas para la
distribución de aire en sistemas de aire acondicionado, en
particular, aunque sin carácter exclusivo, para vehículos
aeroespaciales, hecho de un solapamiento de capas que comprende lo
siguiente:
- \bullet
- una película (1) de polímeros básicamente estanca a los fluidos que define la pared interior del conducto y está en contacto con el flujo de aire interior; y
- \bullet
- al menos una capa (2, 3) estructural de refuerzo formada por una lámina de fibras estructurales impregnada previamente con resina termoendurecible y que envuelve la película de polímeros,
en las
que:
- \bullet
- al menos una primera capa (3) funcional eléctricamente conductora formada por una lámina que comprende fibras conductoras impregnadas previamente con resina termoendurecible; y
- \bullet
- al menos una segunda capa (4) funcional eléctricamente aislante formada por una lámina que comprende fibras funcionales aislantes adecuadas impregnada previamente con resina termoendurecible que envuelve dicha al menos una primera capa funcional eléctricamente conductora.
2. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 1, en el que las fibras estructurales impregnadas
previamente con una resina son fibras de vidrio, fibras viscosas de
rayón, fibras de carbono y/o fibras aramidas.
3. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 1, en el que las fibras funcionales eléctricamente
conductoras son fibras de carbono, boro, tungsteno, alúmina, cobre
y/o metales eléctricamente conductores.
4. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 1, en el que las fibras eléctricamente aislantes son
fibras de vidrio y/o fibras aramidas.
5. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 1, en el que la resina impregnante es una resina
fenólica, poliéster, epoxy y/o resina de poliimida.
6. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 5, en el que la resina impregnante es una resina
fenólica.
7. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 1, en el que, en el solapamiento, las capas (1, 2, 3,
4, 5) están dispuestas de forma fundamentalmente coaxial.
8. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 1, en el que la película (1) de polímeros está hecha
de un material polimérico flexible.
9. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 1, en el que la película (1) de polímeros está hecha
de un material polimérico seleccionado de un grupo que comprende
fluoruro de polivinilo (PVF), politetrafluoruro (PFT, PTFE),
material fenólico o polifenólico, polisulfónico u poliimídico.
10. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 9, en el que el material polimérico se selecciona de
un grupo que comprende fluoruro de polivinilo (PVF) y
politetrafluoruro (PTF, PTFE).
11. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 10, en el que el material polimérico es Tedlar^{TM}
de un grosor que oscila entre 15 y 75 \mum.
12. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 11, en el que el material polimérico se proporciona
en forma de lámina extrudida con una superficie adhesiva dirigida a
las capas sucesivas.
13. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 12, en el que la capa adhesiva tiene una base de
poliéster, epoxy o similar.
14. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 1, en el que la capa (2) estructural de refuerzo
tiene un peso por unidad de superficie que oscila entre 50 y 150
g/m^{2}.
15. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 1, en el que la capa (2) estructural de refuerzo está
hecha de una tela no tejida de fibras viscosas de rayón en resina
fenólica.
16. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 1, en el que la primera capa (3) funcional
eléctricamente conductora está hecha de una capa de tejido que
contiene fibras de carbono impregnada previamente con resina
fenólica.
17. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 16, en el que el peso por unidad de superficie de la
primera capa (3) funcional oscila entre 250 y 400 g/m^{2}.
18. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 16, en el que la primera capa (3) funcional comprende
fibras aramidas y/o fibras de vidrio.
19. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 1, en el que la segunda capa (4) funcional
eléctricamente aislante está hecha de una capa de un grosor mínimo
de tejido de fibras de vidrio y/o fibras aramidas impregnadas
previamente con resina fenólica.
20. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 19, en el que el peso por unidad de superficie de la
segunda capa (4) funcional es inferior a 60 g/m^{2}.
21. Conducto (D) de múltiples capas según la
reivindicación 1, que comprende lo siguiente:
- \bullet
- un soporte (6) que tiene cualquier forma y comprende un par de pestañas (10) curvas que se adhieren a la superficie exterior del conducto (D) de múltiples capas; y
- \bullet
- una capa (7) de refuerzo en forma de una tira que rodea la periferia del conducto (D) de múltiples capas en cada una de las pestañas (10) curvas, siendo compatibles entre sí la capa (4) más exterior, la capa (7) de refuerzo y el soporte (6) dado que están hechos con el mismo sistema de resina impregnante.
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