ES2567586T3 - Estructura termomecánica adaptada para un entorno espacial - Google Patents

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Abstract

Estructura (1) mecánico-térmica metálica monolítica adaptada para un entorno espacial, que comprende al menos un agujero (2), caracterizada porque el agujero comprende unas paredes (1bis) tapizadas por filamentos (3).

Description

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DESCRIPCION
Estructura termomecanica adaptada para un entorno espacial
El ambito de la invencion se refiere a estructuras mecanico-termicas adaptadas para un entorno espacial y mas particularmente a estructuras mecanico-termicas que soportan elementos disipadores de energfa termica que necesitan conductos termicos para la regulacion termica. No obstante, la invencion es adaptada igualmente para aplicaciones terrestres.
Se conoce bien el uso de estructuras mecanico-termicas que comprenden conductos termicos para enfriar dispositivos disipadores de calor. Un conducto termico que comprende un fluido caloportador recupera el calor liberado por un dispositivo disipador en uno de estos extremos, el fluido caloportador se evapora y se condensa en el otro extremo cediendo el calor a la estructura mecanico-termica que lo disipa en el entorno ambiental, en este caso concreto el entorno ambiental es el espacio.
Segun la tecnica conocida, los conductos termicos se realizan usando los mismos materiales que las estructuras mecanico-termicas en las que estan integrados. Una estrategia de este tipo evita los problemas relacionados con los diferentes coeficientes de dilatacion que provocan zonas de tensiones mecanicas que pueden deteriorar la estructura. No obstante, esta estrategia limita la eleccion de los materiales lo que afecta a los rendimientos del dispositivo que integra la estructura mecanico-termica en cuanto a masa. Por su parte, la elaboracion de las estructuras mecanico-termicas se basa en metodos de fabricacion estandar tales como el mecanizado, el fresado, el pegado o el atornillado. Este tipo de elaboracion estandar necesita un gran numero de piezas que requieren exigencias de fabricacion diffciles de respectar y complejas de ensamblar. Los dispositivos elaborados de este modo tienen una masa elevada y son particularmente costosos.
La patente de los Estados Unidos US 6065529, que se considera como la tecnica anterior mas proxima y describe las caractensticas del preambulo de la reivindicacion 1, propone una primera solucion que consiste en realizar un canal en la estructura mecanico-termica disenada para recibir un conducto termico. Las dimensiones interiores del canal son superiores a las dimensiones exteriores del conducto termico para dejar un espacio entre la pared interna del canal y la pared externa del conducto termico, rellenandose el espacio con un fluido o con un polvo metalico conductor termico. El espacio entre la pared interna del canal y la pared externa del conducto permite de este modo que el material constitutivo del conducto termico se dilate y se contraiga sin generar tensiones mecanicas en los materiales de la estructura mecanico-termica.
Esta primera solucion presenta la ventaja de resolver los problemas relacionados con las diferencias de coeficiente de dilatacion termica de los materiales, lo que permite una mayor latitud con lo que se refiere a la eleccion de los materiales usados. No obstante, esta solucion no resuelve los problemas de elaboracion de la estructura mecanico- termica en cuanto a coste.
En este contexto, la invencion propone elaborar una estructura mecanico-termica monolftica que permita insertar facilmente conductos termicos.
Segun un aspecto de la invencion, se propone una estructura mecanico-termica metalica monolftica adaptada para un entorno espacial que comprende al menos un agujero. El agujero comprende unas paredes tapizadas por filamentos. Ventajosamente, hay entre 30 y 100 filamentos por centfmetro cuadrado.
La estructura mecanico-termica propuesta por la invencion elimina las dificultades de ensamblaje y disminuye los costes de realizacion de la estructura.
Ventajosamente, el porcentaje de superficie recubierta de las paredes por filamentos esta comprendido entre 10 y 50 %.
Ventajosamente, la longitud del filamento esta comprendida entre 0,2 y 5 mm.
Ventajosamente, el diametro de los filamentos esta comprendido entre 0,3 y 0,8 mm.
Ventajosamente, el agujero de la estructura mecanico-termica comprende un conducto.
Segun un aspecto de la invencion, el agujero de la estructura mecanico-termica comprende un conducto y los filamentos tienen una longitud superior a una distancia que separa el exterior del conducto del interior del agujero para doblarse cuando se introduce el conducto. Ventajosamente, las paredes del agujero estan recubiertas por una grasa termica.
Los filamentos estan en contacto con el conducto termico, lo que facilita la transferencia de energfa termica del conducto hacia la estructura mecanico-termica.
Segun un aspecto de la invencion, la estructura comprende aluminio. El aluminio presenta un excelente compromiso entre la masa y la conductividad termica, es un material idoneo para las estructuras mecanico-termicas disenadas para las aplicaciones espaciales.
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Ventajosamente, el conducto termico es un conducto termico con amoniaco, habitualmente usado en las aplicaciones espaciales, siendo el conducto termico con amoniaco muy eficaz termicamente y de bajo coste.
Segun otro aspecto de la invencion, se propone un procedimiento de elaboracion de la estructura mecanico-termica tal como se ha descrito anteriormente que comprende una primera etapa de fabricacion de la estructura mecanico- termica por un metodo de fabricacion aditiva, una segunda etapa de fabricacion del conducto y una tercera etapa de insercion del conducto termico en el interior del agujero de la estructura mecanico-termica. Ventajosamente, el conducto se realiza por un metodo de extrusion. Ventajosamente, el procedimiento de elaboracion de la estructura mecanico-termica comprende una etapa de revestimiento de las paredes del agujero de la estructura por grasa.
Este procedimiento de elaboracion permite limitar el numero de pieza que hay que ensamblar y reducir los costes de fabricacion de la estructura mecanico-termica.
La invencion se entendera mejor con el estudio de unos cuantos modos de realizacion descritos a modo de ejemplos de ninguna manera limitativos, e ilustrados por unos dibujos adjuntos en los que:
- la figura 1 representa una estructura mecanico-termica, segun un aspecto de la invencion y,
- la figura 2 representa una ampliacion del recuadro representado en la figura 1.
La figura 1 ilustra una estructura 1 mecanico-termica disenada para integrarse en un panel radiador con conductos termicos integrados, por ejemplo, para los que unos conductos termicos son necesarios para la regulacion termica.
La estructura 1 mecanico-termica esta constituida por un unico material que presenta un coeficiente bajo de elasticidad termica, en este caso concreto la estructura 1 mecanico-termica comprende aluminio.
La estructura 1 mecanico-termica presenta un agujero 2, estando las paredes 1bis del agujero 2 tapizadas por filamentos 3. En este caso concreto, todas las paredes 1bis del agujero 2 estan tapizadas por filamentos 3. Alternativamente, solo ciertas paredes estan tapizadas por filamentos. El conjunto de la estructura 1 mecanico- termica es monolftico, en otros terminos, la estructura 1 y los filamentos 3 constituyen una pieza unica. En el interior del agujero 2 de la estructura 1, se inserta un conducto 4.
En este caso concreto, el agujero 2 presenta una forma tal como se representa en la figura 1. Alternativamente, el agujero 2 presenta una forma adaptada para el conducto 4 que debe insertarse en el. Evidentemente, el agujero 2 puede ser pasante o ciego.
El conducto 4 comprende aluminio, este material presenta un coeficiente bajo de dilatacion y una buena conductividad termica. El perfil de conducto 4 puede ser circular o dentado para aumentar la superficie de intercambio. El conducto 4 se elabora por un metodo estandar, de extrusion por ejemplo.
Ventajosamente, la estructura 1 mecanico-termica esta asociada con un equipo 5 disipador de calor.
De este modo, la energfa termica emitida por el equipo 5 disipador se transfiere a la estructura 1 mecanico-termica asociada. El calor transmitido a la estructura 1 mecanico-termica se transfiere a traves de los filamentos 3 al conducto 4 termico. En este caso concreto, el conducto 4 termico es un conducto termico con amoniaco. El amoniaco contenido en el conducto 4 termico se evapora cerca del equipo 5 disipador, el amoniaco se condensa a distancia del equipo 5 disipador y transfiere la energfa termica a la estructura 1 mecanico-termica que disipa la energfa termica en su entorno, en este caso concreto el espacio.
La figura 2 representa una ampliacion del recuadro de la figura 1. La figura 2 ilustra una parte del agujero 2, estando las paredes 1bis del agujero 2 tapizadas por filamentos 3, que permiten la transferencia de energfa termica entre el conducto 4 y las paredes del agujero 2.
Ventajosamente, la diferencia entre las dimensiones externas del conducto 4 y las dimensiones internas de las paredes 1bis del agujero 2 esta comprendida entre 0,1 y 2,5 mm.
Generalmente, las paredes 1bis del agujero 2 comprenden entre 30 y 100 filamentos por cm2.
Segun un modo de realizacion de la invencion, un filamento 3 de 0,3 mm de diametro puede estar separado de otro filamento 3 en una distancia comprendida entre 0,5 a 0,8 mm en las dos direcciones.
Ventajosamente, el filamento 3 es de forma cilmdrica. Alternativamente, el filamento 3 es de forma paralelepipedica o cilmdrica en su base y aplanado en la zona de contacto con el conducto termico.
Los filamentos 3 presentan una longitud comprendida entre 0,2 mm y 5 mm y un diametro comprendido entre 0,3 et 0,8 mm.
Ventajosamente, el porcentaje de superficie de las paredes 1bis recubierto por filamento esta comprendido entre 10 y 50 %.
Cuando se inserta el conducto 4 en el interior del agujero 2, los filamentos 3 vuelven a doblarse en la mitad de su longitud, lo que aumenta la superficie de intercambio termico entre el conducto 4 y la estructura 1 a traves de los filamentos 3. Ventajosamente, las paredes Ibis del agujero 2 tapizadas por filamentos 3 estan recubiertas por una grasa termica que aumenta mas la superficie de intercambio termico entre el conducto 4 y la estructura 1.
5 Segun otro aspecto de la invencion, la estructura 1 mecanico-termica tal como se ha descrito anteriormente se elabora a partir de un procedimiento que comprende una primera etapa de fabricacion de la estructura 1 mecanico- termica, un segunda etapa de fabricacion del conducto 4 y una tercera etapa de insercion del conducto 4 en el agujero 2 de la estructura mecanico-termica. El metodo de fabricacion de la estructura 1 mecanico-termica es la fabricacion aditiva.
10 Este metodo es un procedimiento de fabricacion aditiva por fusion selectiva de polvo depositado capa por capa. Tras cada capa depositada un haz laser funde de manera selectiva el polvo para construir el perfil de pieza deseado. Los depositos realizados de este modo se mantienen en una atmosfera inerte, con el objeto de evitar una oxidacion de las capas metalicas. Este procedimiento acoplado con un modelo realizado por diseno asistido por ordenador o DAO permite implementar el procedimiento de fabricacion directo por laser, lo que permite realizar piezas funcionales
15 relativamente complejas. Esta tecnica de elaboracion permite realizar la estructura 1 tal como se ha descrito anteriormente que presenta un agujero 2 y unos filamentos extremadamente finos y numerosos en las paredes 1bis del agujero 2 que permiten la transferencia de energfa termica entre el conducto 4 y la estructura 1.

Claims (13)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    REIVINDICACIONES
    1. Estructura (1) mecanico-termica metalica monolftica adaptada para un entorno espacial, que comprende al menos un agujero (2), caracterizada porque el agujero comprende unas paredes (1bis) tapizadas por filamentos (3).
  2. 2. Estructura (1) segun la reivindicacion 1, en la que el agujero (2) comprende un conducto (4).
  3. 3. Estructura (1) segun la reivindicacion 2, en la que los filamentos (3) tienen una longitud superior a una distancia que separa el exterior del conducto (4) del interior del agujero (2) para doblarse cuando se introduce el conducto (4).
  4. 4. Estructura (1) segun la reivindicacion 2 o 3, en la que el conducto (4) es un conducto termico con amoniaco.
  5. 5. Estructura segun una de las reivindicaciones anteriores, en la que las paredes (1bis) comprenden entre 30 y 100 filamentos (3) por centfmetro cuadrado.
  6. 6. Estructura (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, en la que el porcentaje de superficie recubierta de las paredes (1bis) por los filamentos (3) esta comprendido entre 10 y 50 %.
  7. 7. Estructura (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, en la que la longitud de los filamentos (3) esta comprendida entre 0,2 y 5 mm.
  8. 8. Estructura (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, en la que el diametro de un filamento (3) esta comprendido entre 0,3 y 0,8 mm.
  9. 9. Estructura (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, en la que la estructura comprende aluminio.
  10. 10. Estructura (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, en la que las paredes (1bis) estan recubiertas por una grasa que permita una mejor conduccion termica.
  11. 11. Procedimiento de elaboracion de una estructura (1) segun una de las reivindicaciones 2 a 10, caracterizado porque comprende una primera etapa de fabricacion de la estructura (1) mecanico-termica por un metodo de fabricacion aditiva, una segunda etapa de fabricacion del conducto (4) y una tercera etapa de insercion del conducto (4) termico en el interior del agujero (2) de la estructura (1) mecanico-termica.
  12. 12. Procedimiento segun la reivindicacion 11, en el que el conducto (4) esta fabricado por un metodo de extrusion.
  13. 13. Procedimiento segun la reivindicacion 11 o 12, que comprende ademas una etapa de revestimiento de las paredes (1bis) del agujero (2) de la estructura (1) mecanico-termica por la grasa.
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