ES2625410T3 - Disipador de calor y circuito de gestión térmica asociado - Google Patents

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ES2625410T3 ES14725117.7T ES14725117T ES2625410T3 ES 2625410 T3 ES2625410 T3 ES 2625410T3 ES 14725117 T ES14725117 T ES 14725117T ES 2625410 T3 ES2625410 T3 ES 2625410T3
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Georges De Pelsemaeker
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Abstract

Disipador de calor (7) para disipación de energía calorífica contenida en un primer fluido caloportador y destinado a ser ubicado en un circuito de gestión térmica (1) de un vehículo automóvil, incluyendo dicho disipador de calor (7) al menos una caja de entrada (70) del primer fluido caloportador, al menos una caja de salida del primer fluido caloportador y unas superficies de intercambio térmico (72) entre el primer fluido caloportador y un segundo fluido caloportador, dispositivo en el que al menos una caja de entrada (70) y/o al menos una caja de salida del primer fluido caloportador incluye un material de cambio de fase (15), estando dicho dispositivo caracterizado por que el material de cambio de fase (15) se halla: - incorporado en el interior de la pared de al menos una caja de entrada (70) y/o de al menos una caja de salida del primer fluido caloportador, o - ubicado dentro de al menos una caja de entrada (70) y/o al menos una caja de salida del primer fluido caloportador en forma de cápsulas de material de cambio de fase (15).

Description

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DESCRIPCION
Disipador de calor y circuito de gestion termica asociado
La presente invention se refiere a un circuito de gestion termica para vehiculo automovil, en especial a nivel del motor y del habitaculo. Mas en particular, la invencion trata de un disipador de calor conforme al preambulo de la primera reivindicacion. Tal dispositivo se conoce, por ejemplo, por el documento JP 02077316.
Dentro del ambito del automovil, los circuitos de gestion termica pueden incluir dos lazos de regulation termica. Un primer lazo, llamado de alta temperatura (AT), con un fluido caloportador en circulation que tiene una elevada temperatura media, del orden de 80 °C a 120 °C, y un segundo lazo, llamado de baja temperatura (BT), con un fluido caloportador en circulacion que tiene una baja temperatura media, del orden de 30 °C a 80 °C.
Generalmente, un lazo de regulacion termica incluye dos intercambiadores de calor:
- un primer intercambiador de calor, ubicado en correspondencia con la fuente de calor, con el fin de captar energia calorifica de esta ultima y transmitirla a un primer fluido caloportador, y
- un segundo intercambiador de calor en funciones de disipador, que desprende la energia calorifica del primer fluido caloportador hacia un segundo fluido caloportador, generalmente el aire exterior al vehiculo.
En el caso de un lazo de alta temperatura, el primer intercambiador se ubica en correspondencia con el motor de combustion y el segundo intercambiador de calor, en funciones de disipador, es un radiador ubicado asimismo en el frente del vehiculo.
En el caso de un lazo de baja temperatura, el primer intercambiador puede ser un refrigerador de aire de sobrealimentacion (RAS) y/o un condensador de agua de un sistema de climatizacion. El segundo intercambiador de calor en funciones de disipador esta ubicado, por su parte, en el flujo de aire entrante al habitaculo del vehiculo y unido al RAS y/o al condensador de agua.
Los disipadores de calor generalmente estan sobredimensionados con el fin de resistir y disipar calor en modo suficiente en condiciones extremas, segun unas especificaciones impuestas por los fabricantes de automoviles. Por lo tanto, los disipadores estan dimensionados para satisfacer unas maximas necesidades termicas teoricas muy superiores a las que tratan en promedio, y funcionan, en condiciones llamadas normales, a potencia parcial.
De este modo, debido a estas especificaciones, los disipadores toman mucho espacio y peso.
Por lo tanto, uno de los propositos de la invencion es subsanar al menos parcialmente los inconvenientes de la tecnica anterior y proponer un disipador de calor mejorado que tiene, para una identica eficiencia, un dimensionamiento reducido.
La presente invencion se refiere, pues, a un disipador de calor conforme a la primera reivindicacion.
La utilization de un material de cambio de fase en un disipador de calor permite mejorar su eficiencia y permite obtener, con un disipador de calor de tamano mas pequeno, una eficiencia similar a otros de mayor tamano.
La incorporation del material de cambio de fase en el seno de la al menos una caja de entrada y/o la al menos una caja de salida del primer fluido caloportador permite evitar un aumento del tamano del disipador de calor.
De acuerdo con otro aspecto de la invencion, al menos una caja de entrada y/o al menos una caja de salida del primer fluido caloportador, que incluye las capsulas de material de cambio de fase, incluye medios retenedores de dichas capsulas de material de cambio de fase en el seno de dicha caja de entrada y/o de dicha caja de salida del primer fluido caloportador.
De acuerdo con otro aspecto de la invencion, los medios retenedores se ubican en las entradas y/o salidas de las superficies de intercambio y en la entrada de al menos una caja de entrada del primer fluido caloportador y/o en la salida de al menos una caja de salida del primer fluido caloportador.
De acuerdo con otro aspecto de la invencion, los medios retenedores de dichas capsulas de material de cambio de fase en el seno de al menos una caja de entrada y/o de al menos una caja de salida del primer fluido caloportador son rejillas.
De acuerdo con otro aspecto de la invencion, los medios retenedores de dichas capsulas de material de cambio de fase en el seno de al menos una caja de entrada y/o de al menos una caja de salida del primer fluido caloportador son filtros.
De acuerdo con otro aspecto de la invencion, las capsulas de material de cambio de fase incluyen un tratamiento superficial oleofobo y/o hidrofobo.
De acuerdo con otro aspecto de la invencion, el material de cambio de fase tiene un calor latente superior o igual
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De acuerdo con otro aspecto de la invention, el material de cambio de fase tiene una temperatura de cambio de fase comprendida entre 47 °C y 55 °C.
De acuerdo con otro aspecto de la invencion, el material de cambio de fase tiene una temperatura de cambio de fase comprendida entre 80 °C y 110 °C.
Asimismo, la presente invencion se refiere a un circuito de gestion termica que incluye un disipador de calor segun se ha descrito anteriormente, estando dicho disipador de calor dispuesto en un lazo de regulation termica, llamado de baja temperatura, dentro del cual el fluido caloportador tiene una temperatura media comprendida entre 30 °C y 80 °C.
Asimismo, la presente invencion se refiere a un circuito de gestion termica que incluye un disipador de calor segun se ha descrito anteriormente, estando dicho disipador de calor dispuesto en un lazo de regulacion termica, llamado de alta temperatura, dentro del cual el fluido caloportador tiene una temperatura media comprendida entre 80 °C y120 °C.
Otras caracterlsticas y ventajas de la invencion se pondran mas claramente de manifiesto con la lectura de la description siguiente, dada a tltulo de ejemplo ilustrativo y no limitativo, y de los dibujos que se acompanan, de los cuales:
la figura 1 muestra una representation esquematica de un lazo de alta temperatura,
la figura 2 muestra una representacion esquematica de un lazo de baja temperatura,
la figura 3 muestra una representacion esquematica seccionada de un disipador de calor,
la figura 4 muestra una representacion esquematica en perspectiva de despiece de un disipador de calor, y
la figura 5 muestra una curva de la evolution de la temperatura de aire de sobrealimentacion a la salida de diferentes tipos de refrigeradores de aire de sobrealimentacion.
En las diferentes figuras, los elementos identicos llevan los mismos numeros de referencia.
La figura 1 muestra una representacion esquematica de un primer ejemplo de circuito de gestion termica 1 y, mas en particular, un lazo de alta temperatura.
El lazo de alta temperatura comprende una fuente de calor, en este caso, el motor de combustion 3 sobre el que va instalado un intercambiador de calor 4 que capta energla calorlfica de dicho motor de combustion 3 para transferirla a un primer fluido caloportador, por ejemplo llquido de refrigeration. El primer fluido caloportador circula por el lazo de regulacion de temperatura alta hacia un disipador de calor 7. En el disipador de calor 7, el primer fluido caloportador cede energla calorlfica a un segundo fluido caloportador, generalmente el aire exterior al vehlculo. A continuation, el primer fluido caloportador retorna hacia el intercambiador de calor 4. Una bomba 5 permite la circulation del primer fluido caloportador en el seno del lazo de alta temperatura.
Dentro de tal lazo de alta temperatura, el primer fluido caloportador puede tener una temperatura media comprendida entre 80 °C y 120 °C.
La figura 2 muestra una representacion esquematica de un segundo ejemplo de circuito de gestion termica 1 y, mas en particular, un lazo de baja temperatura.
En este ejemplo de circuito de gestion termica 1, la fuente de calor puede ser, por ejemplo, un refrigerador de aire de sobrealimentacion (RAS) 8 y/o un condensador de agua 9 unido a un circuito de climatizacion (no representado). El disipador de calor 7, en el caso de un lazo de baja temperatura, puede comprender dos pasadas 7a, 7b. El primer fluido caloportador, generalmente agua glicolada, capta energla calorlfica con origen en el aire de sobrealimentacion en correspondencia con el RAS 8, pasa en correspondencia con la primera pasada 7a del disipador de calor 7 para desprender una parte de esta energla calorlfica hacia el segundo fluido caloportador, generalmente el aire exterior al vehlculo.
A continuacion, el primer fluido caloportador pasa por el condensador de agua 9 para intercambiar nuevamente energla calorlfica con el circuito de climatizacion (no representado). El primer fluido caloportador pasa nuevamente en correspondencia con el disipador de calor 7, pero en correspondencia con la segunda pasada 7b, para desprender nuevamente energla calorlfica hacia el segundo fluido caloportador antes de retornar al RAS 8. La circulacion del primer fluido caloportador en el seno del lazo de baja temperatura recae en una bomba 5.
Dentro de tal lazo de baja temperatura, el primer fluido caloportador puede tener una temperatura media comprendida entre 30 °C y 80 °C.
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Tal como muestran las figuras 3 y 4, el disipador de calor 7 incluye asimismo al menos una caja de entrada 70 del primer fluido caloportador, a la que llega el primer fluido caloportador para ser distribuido entre unas superficies de intercambio termico 72 entre dicho primer fluido caloportador y el segundo fluido caloportador. El disipador de calor 7 incluye asimismo, a la salida de las superficies de intercambio termico 72, al menos una caja de salida (no representada) del primer fluido caloportador.
Esta caja de salida del primer fluido caloportador recoge el fluido enfriado que viene de las superficies de intercambio termico 72 y lo gula hacia la salida de dicho disipador de calor 7.
En el caso de un lazo de baja temperatura, el disipador de calor 7 puede incluir una caja de entrada 70 del primer fluido caloportador y una caja de salida de primer fluido caloportador para cada pasada 7a, 7b.
Las superficies de intercambio termico 72 pueden ser, en especial, tubos planos 72 por los que pasa el primer fluido caloportador. El segundo fluido caloportador, por su parte, circula por el espacio 74 entre dichos tubos planos 72.
El disipador de calor 7 incluye asimismo, en el seno de su al menos una caja de entrada 70 y/o de su al menos una salida del primer fluido caloportador, un material de cambio de fase (MCF) 15. El MCF 15 permite una absorcion de energla calorlfica con origen en el primer fluido caloportador. Esta energla calorlfica absorbida por el MCF 15 ya no ha de disiparse mediante el disipador de calor 7 en los picos de temperatura y, por tanto, este ultimo puede tener un dimensionamiento inferior para una identica eficiencia. La incorporation del MCF 15 en el seno de la al menos una caja de entrada 70 y/o la al menos una caja de salida del primer fluido caloportador permite evitar un aumento del tamano del disipador de calor 7.
Esto queda mostrado en particular mediante la figura 5, que muestra un grafico de la evolution de la temperatura de aire a la salida de un RAS 8 en funcion del tiempo y en funcion de diversos tipos de disipador de calor 7. Se puede medir la eficiencia del disipador de calor 7 en el seno de un lazo de baja temperatura midiendo su influencia sobre el enfriamiento del aire de sobrealimentacion a la salida del RAS 8.
La primera curva 50 muestra la evolucion, en funcion del tiempo t, de la temperatura de aire a la salida de un RAS 8 unido a un disipador de calor 7 convencional del estado de la tecnica. Se destacan cuatro zonas particulares en la curva de temperatura:
- una zona de temperatura estable de t = 0 s a t = 500 s, donde el turbocompresor no esta en action y donde
la temperatura de aire a la salida del RAS 8 es constante. En las condiciones de la prueba, este valor es del
orden de 48°. Por supuesto, este valor de temperatura es variable en funcion de las condiciones de temperatura exteriores y de la temperatura de aire de admision. De este modo, en condiciones climaticas frlas, este valor puede ser inferior.
- Una zona de aumento brusco de la temperatura entre t = 500 s y t = 600 s, correspondiente a la puesta en accion del turbocompresor, que envla un aire de sobrealimentacion caliente y comprimido al RAS 8.
- Una zona de estabilizacion de la temperatura de aire de sobrealimentacion en un valor del orden de 60 °C, entre t = 600 s y t = 850 s, lo cual corresponde a los efectos de la accion del RAS 8 por disipacion de energla calorlfica del aire de sobrealimentacion. Claro es que este valor de temperatura es funcion de la eficiencia del lazo de baja temperatura y, por tanto, de la eficiencia del disipador de calor 7.
- Una zona entre t = 850 s y t = 1000 s, de retorno a una temperatura estable de la temperatura de aire a la
salida del RAS 8, identica a la propia de la primera zona debido a la parada del turbocompresor.
La segunda curva 52, por su parte, corresponde a la evolucion de la temperatura de aire a la salida de un RAS 8 unido a un disipador de calor 8 de dimension identica al anterior y que incluye un MCF 15. Nos encontramos con las mismas zonas particulares, con algunas diferencias:
- la zona de estabilizacion se lleva a cabo a una temperatura menor, del orden de 54 a 57 °C, debido a la accion del MCF 15, que absorbe energla calorlfica y aumenta la eficiencia del disipador de calor 7.
- La zona de retorno a una temperatura estable de la temperatura de aire despues de la parada del turbocompresor es mas larga y progresiva, de t = 850 s a t = 1400 s, debido a la disipacion progresiva de la energla calorlfica absorbida por el MCF 15.
La tercera curva 54 corresponde a la evolucion de la temperatura de aire a la salida de un RAS 8 que incluye un MCF 15, pero unido a un disipador de calor 7 de dimension inferior del orden del 30 % a los anteriores. Se pone entonces de relieve que:
- la zona de estabilizacion es identica a la del primer disipador de calor 7 sin MCF 15 ilustrado por la curva 50.
- La zona de retorno a una temperatura estable de la temperatura de aire despues de la parada del turbocompresor es tambien progresiva, entre t = 850 s y t = 1100 s, debido a la disipacion progresiva de la
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energla calorlfica absorbida por el MCF 15.
Asl, se puede conseguir, con un disipador de calor 7 de tamano mas pequeno, una eficiencia similar a otros de mayor tamano, merced a la aportacion de un MCF 15.
El MCF 15 puede estar, por ejemplo, incorporado en la pared misma de la al menos una caja de entrada y/o la al menos una caja de salida de aire de sobrealimentacion.
El MCF 15 puede hallarse, asimismo, en forma de capsulas de material de cambio de fase recubierto con una capa protectora de material pollmero. Esta clase de capsula de MCF 15 es bien conocida para un experto en la materia. El MCF 15 utilizado puede ser, en especial, un MCF 15 extruido o polimerizado, de forma aleatoria, como por ejemplo, de forma esferica, semiesferica, o de forma amorfa, recubierto con una capa protectora de material pollmero. Las capsulas de MCF 15 tienen preferentemente un diametro comprendido entre 0,5 mm y 8 mm. Debido a que el primer fluido caloportador es un llquido, agua glicolada para un lazo de baja temperatura y llquido de refrigeracion para un lazo de alta temperatura, las capsulas de MCF 15 pueden incluir asimismo un tratamiento superficial oleofobo y/o hidrofobo para aumentar su resistencia a la oxidacion.
Debido a los margenes de temperatura de utilizacion en un circuito de gestion termica 1 de tipo lazo de alta temperatura, el MCF 15 utilizado puede tener, en especial, una temperatura de cambio de fase comprendida entre 80 °C y 110 °C. Igualmente, en un circuito de gestion termica 1 de tipo lazo de baja temperatura, el mCf 15 utilizado
puede tener, en especial, una temperatura de cambio de fase comprendida entre 47 °C y 55 °C.
Ademas, el MCF 15 utilizado puede tener ventajosamente un calor latente superior o igual a 280 kJ/m3, con el fin de tener una optima eficiencia.
En el caso en que el MCF 15 se halla en forma de capsulas, tal como se ilustra mediante las figuras 3 y 4, la al menos una caja de entrada 70 y/o la al menos una caja de salida de aire de sobrealimentacion que incluye las capsulas de MCF 15 incluye medios retenedores 76 de dichas capsulas de MCF 15 en el seno de dicha caja de entrada 70 y/o de dicha caja de salida de aire de sobrealimentacion.
Los medios retenedores 76 se ubican preferentemente en las entradas y/o salidas de las superficies de intercambio 72, con el fin de que las capsulas de MCF 15 no entren entre estas ultimas y no bloqueen o entorpezcan el flujo de aire de sobrealimentacion. Los medios retenedores 76 se ubican asimismo en la entrada de la al menos una caja de entrada 70 de aire de sobrealimentacion y/o en la salida de la al menos una caja de salida de aire de
sobrealimentacion, con el fin de que las capsulas no se escapen por el conducto entre el RAS 8 y el
turbocompresor 3 o hacia los cilindros de combustion 5.
Los medios retenedores 76 pueden ser, por ejemplo, rejillas de malla inferior al diametro de las capsulas de MCF 15, o tambien filtros de tipo difusor poroso.
En correspondencia con las entradas y/o salidas de las superficies de intercambio 72, los medios retenedores 76 pueden, de acuerdo con una primera forma de realizacion mostrada en la figura 3, cubrir la superficie total entre la al menos una caja de entrada 70 y/o la al menos una caja de salida de aire de sobrealimentacion con las superficies de intercambio 72. De acuerdo con una segunda forma de realizacion mostrada en la figura 4, los medios retenedores 76 tan solo cubren los espacios 73 por los que circula el aire de sobrealimentacion.
De este modo, se ve claramente que el disipador de calor 7 segun la invencion permite un enfriamiento mejorado del aire de sobrealimentacion, debido a la presencia en su seno de material de cambio de fase 15. Asl, el disipador de calor 7 segun la invencion, a igual eficiencia que un disipador de calor 7 convencional, puede ser de menor dimension.

Claims (11)

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    REIVINDICACIONES
    1. Disipador de calor (7) para disipacion de energla calorlfica contenida en un primer fluido caloportador y destinado a ser ubicado en un circuito de gestion termica (1) de un vehlculo automovil,
    incluyendo dicho disipador de calor (7) al menos una caja de entrada (70) del primer fluido caloportador, al menos una caja de salida del primer fluido caloportador y unas superficies de intercambio termico (72) entre el primer fluido caloportador y un segundo fluido caloportador,
    dispositivo en el que al menos una caja de entrada (70) y/o al menos una caja de salida del primer fluido caloportador incluye un material de cambio de fase (15), estando dicho dispositivo caracterizado por que el material de cambio de fase (15) se halla:
    - incorporado en el interior de la pared de al menos una caja de entrada (70) y/o de al menos una caja de salida del primer fluido caloportador, o
    - ubicado dentro de al menos una caja de entrada (70) y/o al menos una caja de salida del primer fluido caloportador en forma de capsulas de material de cambio de fase (15).
  2. 2. Disipador de calor (7) segun la anterior reivindicacion, caracterizado por que al menos una caja de entrada (70) y/o al menos una caja de salida del primer fluido caloportador, que incluye las capsulas de material de cambio de fase (15), incluye medios retenedores (76) de dichas capsulas de material de cambio de fase (15) en el seno de dicha caja de entrada (70) y/o de dicha caja de salida del primer fluido caloportador.
  3. 3. Disipador de calor (7) segun la anterior reivindicacion, caracterizado por que los medios retenedores (76) se ubican en las entradas y/o salidas de las superficies de intercambio (72) y en la entrada de al menos una caja de entrada (70) del primer fluido caloportador y/o en la salida de al menos una caja de salida del primer fluido caloportador.
  4. 4. Disipador de calor (7) segun una de las reivindicaciones 2 o 3, caracterizado por que los medios retenedores (76) de dichas capsulas de material de cambio de fase (15) en el seno de al menos una caja de entrada (70) y/o de al menos una caja de salida del primer fluido caloportador son rejillas.
  5. 5. Disipador de calor (7) segun una de las reivindicaciones 2 o 3, caracterizado por que los medios retenedores (76) de dichas capsulas de material de cambio de fase (15) en el seno de al menos una caja de entrada (70) y/o de al menos una caja de salida del primer fluido caloportador son filtros.
  6. 6. Disipador de calor (7) segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que las capsulas de material de cambio de fase (15) incluyen un tratamiento superficial oleofobo y/o hidrofobo.
  7. 7. Disipador de calor (7) segun una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que el material de cambio de fase (15) tiene un calor latente superior o igual a 280 kJ/m3.
  8. 8. Disipador de calor (7) segun la anterior reivindicacion, caracterizado por que el material de cambio de fase (15) tiene una temperatura de cambio de fase comprendida entre 47 °C y 55 °C.
  9. 9. Disipador de calor (7) segun una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que el material de cambio de fase (15) tiene una temperatura de cambio de fase comprendida entre 80 °C y 110 °C.
  10. 10. Circuito de gestion termica (1) que incluye un disipador de calor (7) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, estando dicho disipador de calor (7) dispuesto en un lazo de regulacion termica, llamado de baja temperatura, dentro del cual el primer fluido caloportador tiene una temperatura media comprendida entre 30 °C y 80 °C.
  11. 11. Circuito de gestion termica (1) que incluye un disipador de calor (7) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 y 9, estando dicho disipador de calor (7) dispuesto en un lazo de regulacion termica, llamado de alta temperatura, dentro del cual el primer fluido caloportador tiene una temperatura media comprendida entre 80 °C y 120 °C.
ES14725117.7T 2013-05-22 2014-05-15 Disipador de calor y circuito de gestión térmica asociado Active ES2625410T3 (es)

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FR1354563 2013-05-22
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PCT/EP2014/060026 WO2014187734A1 (fr) 2013-05-22 2014-05-15 Dissipateur de chaleur et circuit de gestion thermique associe

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