ES2648877T3 - Aparato de tubo de calor en bucle para transmisión de calor y control térmico - Google Patents
Aparato de tubo de calor en bucle para transmisión de calor y control térmico Download PDFInfo
- Publication number
- ES2648877T3 ES2648877T3 ES12832734.3T ES12832734T ES2648877T3 ES 2648877 T3 ES2648877 T3 ES 2648877T3 ES 12832734 T ES12832734 T ES 12832734T ES 2648877 T3 ES2648877 T3 ES 2648877T3
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- liquid
- compensation chamber
- heat
- evaporator
- stabilization
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims description 24
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 119
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 claims description 19
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 17
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 9
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims description 8
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 5
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 4
- 244000045947 parasite Species 0.000 claims description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 42
- 238000013461 design Methods 0.000 description 39
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 13
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 9
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 9
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 5
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 4
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000005486 microgravity Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000037452 priming Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012797 qualification Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 230000035899 viability Effects 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
- F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
- F28D15/043—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure forming loops, e.g. capillary pumped loops
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
- F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
Aparato de tubo de calor en bucle para transmisión de calor y control térmico
5 Campo de la invención
La presente invención se refiere a un dispositivo de transmisión de calor y de control térmico, en particular para uso en un vehículo espacial y, más particularmente, la invención se refiere a un dispositivo de transmisión de calor y de control térmico con bucles accionados capilarmente de dos fases.
10
La mayoría de los componentes y subsistemas de un vehículo espacial deben operar en rangos restringidos de temperatura. Esto hace que el control térmico sea un asunto clave en el diseño y operación de un vehículo espacial
15 con un peso, potencia e impacto de costes significativos en el presupuesto general del vehículo espacial.
El control térmico del vehículo espacial se basa en el balance térmico global del vehículo espacial: las cargas térmicas deben se rechazadas para profundizar en el espacio que actúa como un sumidero térmico. Puesto que ninguna materia enlaza este sumidero y el vehículo espacial, este rechazo se realiza por radiación térmica a través
20 de radiadores dedicados instalados en las superficies externas del satélite.
Las cargas térmicas del vehículo espacial proceden de la disipación del equipo interno del vehículo espacial y, externamente del sol y de la tierra o de los cuerpos celestes alrededor de los cuales orbita el vehículo espacial. Por lo tanto, los sistemas térmicos utilizados en vehículos espaciales deben ser capaces de controlar el equipo que
25 opera en un rango específico de temperaturas y también de forma discontinua.
Actualmente, los dispositivos térmicos conocidos para controlar largas térmicas en vehículo espacial son bucles de transmisión de calor de dos fases, que se conocen también en la práctica técnica como bucles accionados capilarmente y bombeados mecánicamente o bucles térmicos. La finalidad de estos dispositivos en un vehículo 30 espacial es la transmisión de calor entre una fuente de calor (por ejemplo, un elemento electrónico) y un sumidero de calor (típicamente, el espacio). En los bucles de transmisión de calor de dos fases, el calor se transfiere a través de un ciclo de evaporación-condensación de un fluido de trabajo mantenido dentro de un contenedor sellado herméticamente. Los bucles accionados capilarmente tienen una estructura porosa especial, llamada bomba o mecha capilar, que sirve para la circulación continua del fluido de trabajo en el sistema. La mecha está localizada
35 siempre en el evaporador del bucle accionado térmicamente. El evaporador está fijado a una fuente de calor.
La tecnología de bucle accionado capilarmente mencionada anteriormente ha encontrado una aplicación amplia para sistemas de control térmico en muchas aplicaciones de vehículos espaciales, que normalmente utilizan bucles con un evaporador individual. Sin embargo, muchas aplicaciones requieren control térmico de cargas de pago
40 superficiales grandes de contacto térmico o fuentes de calor múltiples localizadas remotas.
Los desarrolladores de diseños de evaporadores múltiples y de condensadores múltiples de bucles accionados capilarmente (conocidos en la práctica técnica como tubos de calor en bucle (LHPs), bucles bombeados capilarmente (CPLs), bucles de calor híbridos de dos fases) tratan de crear sistemas de control térmico que tienen
45 las siguientes características: diseño funcional optimizado, factor de escala, posibilidad de expansión, cargas térmica efectivas compartidas, flexibilidad en la localización de componentes, acoplamiento térmico entre radiadores separados y masa y volumen reducidos al mínimo.
La tecnología LHP fue inventada inicialmente en la Unión Soviética y esta tecnología de un aparado de transmisión
50 de calor se conoce, por ejemplo según US 4515209. Los primeros sistemas LHP fueron dedicados a aplicaciones terrestres. Más tarde, se introdujo un enlace capilar (mecha secundaria) entre el evaporador y la cámara de compensación para proporcionar suministro líquido desde la cámara de compensación hasta la mecha primaria del evaporador en condiciones de gravedad cero (0-g).
55 El desarrollo y ensayo de un LHP con dos evaporadores idénticos fue realizad por primera vez por el Institute of Thermal Physics (Russian Academy of Sciences) a mediados de los años 80. Otros desarrollos en un sistema LHP de evaporadores múltiples, como se conoce, por ejemplo, en la patente USSR 1395927, fueron realizados utilizando un LHP con dos evaporadores y dos condensadores. Los LHPs de dos evaporadores pueden operar de manera eficiente en distribuciones de carga térmica simétricas y no-simétricas entre los evaporadores, y a diferentes
60 temperaturas de refrigeración de los condensadores. Sin embargo, la desconexión de la refrigeración activa de un condensador dará como resultado una reducción brusca en la capacidad máxima de transporte del dispositivo.
Cada evaporador en el sistema LHP típico tiene su propia cámara de compensación, que puede estar conectada directamente a las cámaras de compensación de otros evaporadores y puede no tener conexión directa con las cámaras de compensación de otros evaporadores den el sistema. En estos dispositivos, los evaporadores están conectados rígidamente entre sí y están a una distancia relativamente próxima unos de los otros.
A pesar de las ventajas evidentes de los sistemas LHP que tienen evaporadores múltiples diseñados para operar
5 sobre una amplia gama de temperaturas, existe una limitación en el número evaporadores que pueden utilizarse de una manera razonable, ya que cada evaporador comprende una cámara de compensación. A medida que se reduce la temperatura operativa mínima, se incrementa el volumen de la cámara de compensación rápidamente cuando se incrementa el número de evaporadores. Esto conduce a una limitación en el número de evaporadores que pueden utilizarse en estos sistemas.
10 Además, pueden existir también ciertos problemas en el control de la temperatura en sistemas LHP de evaporadores múltiples: los componentes claves para el control de la temperatura de LHP son las cámaras de compensación. En una instalación de dos evaporadores, el LHP puede operar a la temperatura deseada en la mayoría de los casos, ya que el LHP responde muy bien a cambios rápidos de la carga térmica, temperatura del sumidero y temperatura del
15 punto de referencia. Sin embargo, sólo una de las cámaras de compensación tiene una condición de dos fases vapor-líquido durante el funcionamiento, independientemente de cuántas esté bajo control de la temperatura.
El calor, que ha pasado por conducción térmica a través de la pared de la bomba capilar dentro de la parte central del evaporador, en la dirección opuesta a la dirección de la circulación de fluido, se llama normalmente fuga de calor 20 parásito. Los resultados de ensayo han mostrado que cuando uno de los evaporadores tiene una carga térmica muy baja, se ha observado una generación repentina de vapor sobre la superficie interior de la bomba capilar, incrementando de modo estridente la fuga de calor parásito a la cámara de compensación que da como resultado una temperatura operativa más alta del bucle. Esto causa un problema de control de histéresis para el bucle que es difícil de predecir o prevenir. Además, se ha encontrado que situaciones en las que el líquido se distribuye por sí
25 mismo entre las cámaras de compensación (tratando de ocupar los puntos de presión más baja) pueden conducir a operación inestable del sistema. Además, se plantea un problema de capacidad de control del sistema LHP de evaporadores múltiples cuando se incrementa la cantidad de evaporación y de cámaras de compensación.
Por lo tanto, es posible concluir que una limitación de la capacidad de expansión en el problema principal en los
30 sistemas LHP de evaporadores múltiples en la patente USSR 1395927, de tal manera que se utilizan dos evaporadores y sólo tres evaporadores como máximo para rangos estrechos de temperatura. Un problema secundario presentado por estos sistemas es también una capacidad de control escasa.
Otro tipo de bucle accionado capilarmente es CPL, por ejemplo como en los documentos US 6626231 y US
35 7118076, que comprende típicamente uno o más evaporadores, no o más condensadores, líneas de transporte, una cámara de compensación remota y un sub-refrigerador. La localización de la cámara de compensación es la característica distintiva principal entre diseños CPL y LHP. La(s) cámara(s) de compensación LHP está(n) conectada(s) directamente a evaporador(es), pero el CPL tiene una cámara de compensación remota (también conocida como depósito de líquido) separa de evaporador(es) por tubo(s) de conexión de diámetro pequeño (2-5
40 mm). En CPL, líquido del condensador y de la cámara de compensación remota fluye a través del sub-refrigerador antes de llegar a los evaporadores. El CPL que comprende un depósito remoto pierde capacidad para arrancar por sí mismo sin acondicionamiento previo especial. Además, para cada CPL, la tolerancia para fuga de calor parásito de vapor es un problema significativo de operatividad fiable del sistema. El crecimiento de una burbuja de vapor sobre la superficie interior de la bomba de capilaridad conduce a la sequedad de la bomba y, finalmente, al fallo de
45 la operación del CPL. En el caso de LHP, la burbuja migra normalmente a la cámara de compensación (tan pronto como se fija estrechamente al evaporador) y se condensa en líquido sub-refrigerado que se presenta siempre en la cámara de compensación de LHP.
Se ha realizado mejoras continuadas en los CPLs en las últimas décadas. El evaporador de dos orificios (una
50 entrada de líquido y una salida de vapor) utilizado inicialmente en CPLs ha experimentado, en general, sequedad debido a la aparición de vapor en el núcleo de líquido durante el arranque y los regímenes de transición. Para prevenir que el vapor bloquee el retorno de líquido a la estructura de mecha, ha sido introducido un evaporador capilar de tres orificios en el sistema que conecta la línea del depósito remoto al núcleo de líquido del evaporador. Esta configuración permite expandirse el vapor a lo largo del núcleo del evaporador y migrar dentro del depósito
55 remoto en lugar de acumularse en el núcleo del evaporador e interferir con líquido que retorna desde el condensador. Inicialmente, se han utilizado bombas capilares de tres orificios como bombas de arranque, y entonces de manera similar al diseño del evaporador funcional principal. Para prevenir que el evaporador fluya desde evaporadores agotados curso arriba y bloquee el retorno de líquido a operadores operativos, se ha introducido un dispositivo capilar, conocido como un aislador capilar, localizado curso arriba de la entrada del evaporador. También
60 se han instalado reguladores de contra presión en muchos CPLs de evaporadores múltiples para asistir en el arranque. Estos dispositivos capilares, localizados en la línea de transporte de vapor, redirigen el vapor generado inicialmente en un evaporador a otros evaporadores inoperativos (sin carga térmica). Esta acción fuerza al líquido fuera de las líneas de vapor y mejora las posibilidades de un arranque con éxito para todos los evaporadores del sistema; también ayuda a promocionar a que se comparta la carga térmica entre los evaporadores, por ejemplo
cuando un evaporador inoperativo actúa como un condensador.
Además, otro problema en los sistemas CPL conocidos es la formación de gases no-condensables en el bucle, que pueden conducir a fallo del evaporador si burbujas no-condensables llegan al núcleo del evaporador bloqueando del 5 retorno de líquido a los evaporadores de los CPLs. Puesto que la evolución de gases no-condensables duran te el tiempo de vida útil de los CPLs es prácticamente inevitables, los CPLs deberían diseñarse para ser tolerantes a gases no-condensables de una u otra manera. Una de las soluciones posibles es implementar colectores especiales para recoger las burbujas. Los colectores se utilizan normalmente para sistemas con condensadores paralelos y están colocados en la salida de los condensadores, donde pueden servir también como reguladores de flujo capilar
10 (si el colector utiliza una estructura capilar para separar gas de líquido). La estructura capilar ayuda a prevenir que el vapor abandone el condensador. Si uno de los condensadores se ha utilizado completamente, entonces este colector puede servir para redirigirle flujo hacia los otros condensadores.
Las siguientes conclusiones resumen las cuestiones relacionada con la fiabilidad del CPL:
15 -el diseño del CPL no debería permitir nunca que se formen burbujas en el lado del líquido del bucle: entonces debería preverse un colector de burbujas en la salida del sub-refrigerador para prevenir la convección de gases no-condensables y/o de burbujas de vapor a los evaporadores; -el CPL requiere arrancar un evaporador para limpiar los canales de vapor en los evaporadores principales antes de que se les aplique calor;
20 -la reducción del diámetro de los elementos del evaporador de CPL conduce a muchas dificultades inesperadas: el diseño con paredes de bombas capilares más finas conduce a una mayor probabilidad de la formación de burbujas de vapor dentro del núcleo de líquido del evaporador y, como consecuencia, al fallo de la operación del CPL;
-se conoce en el estado de la técnica que para mejorar la tolerancia a la fuga de calor parásito de vapor de 25 los evaporadores, es preferible conectar estos evaporadores en serie; en este caso, el primer evaporador en serie crea flujo de barrido para los evaporadores anteriores.
Otra solución consiste en tener varios evaporadores paralelos conectados a la misma cámara de compensación localizada en la parte de evaporación del bucle, e incluir enlaces capilares especialmente largos entre los 30 evaporadores y la cámara de compensación. Este sistema de conoce como Free Location LHP, como se conoce, por ejemplo, en el documento US 5944092 o en la patente rusa 2120592. Este sistema ha sido ensayado con éxito en tierra con una polarización gravitacional favorable de los evaporadores con relación a la cámara de compensación, facilitando que los enlaces capilares distribuyan el fluido a cada evaporador. La limitación de la orientación en el campo de gravedad es debida a límites impuestos por el enlace capilar. El enlace capilar que 35 conecta los evaporadores a la cámara de compensación limita la distancia de separación entre los evaporadores y la cámara de compensación. Esta limitación es similar a la existente en tubos de calor convencionales. Otras limitaciones significativas de este diseño son la complejidad y las dificultades de integración que conducen a problemas de la capacidad de expansión del sistema, el factor de escala y la normalización de las partes. Todos los evaporadores tienen que estar por debajo o en el mismo plano con respecto al plano de la cámara de 40 compensación. Puesto que el tubo que conecta cada evaporador a la cámara de compensación contiene un enlace capilar en el interior, el diámetro interno del tubo es típicamente mayor que 4 mm, puesto que es prácticamente imposible alojar una estructura capilar en un tubo de diámetro más pequeño. El tubo de conexión de diámetro mayor conduce a un sistema inflexible y a altos requerimientos de tolerancias para fines de integración. En el diseño habitual de un evaporador de LHP con un tubo de bayoneta, un enlace capilar (mecha secundaria) suministra a la
45 bomba capilar primaria con líquido prácticamente sólo en regímenes transitorios. Sin embargo, en este diseño, el enlace capilar suministra toda la cantidad de líquido que se necesita para el evaporador, lo que conduce a limitaciones significativas para tasas de cambio de potencia de la fuente de calor y/o temperatura del sumidero de calor. Otro inconveniente de tal método es la conductancia térmica baja de evaporadores debido a la presencia permanente de fase de vapor en el núcleo del evaporador.
50 Un intento para solucionar algunos de estos inconvenientes significativos han conducido ha llamado multi-free LHP CPL conocido, por ejemplo, por el documento US 5944092, en el que los evaporadores funcionales no tienen un enlace capilar con la cámara de compensación, sólo con la línea de líquido. Las limitaciones de este diseño son similares a las de los CPLs ordinarios con bombas de arranque. Los evaporadores capilares enlazados a la línea de
55 líquido no pueden proporcionar una tolerancia al vapor fiable y, por lo tanto, este diseño presente el inconveniente de la necesidad de un evaporador especial adicional con fuente de potencia dedicada para proporcionar la circulación del bucle.
Otros diseños se han realizado para desarrollar el llamado LHP híbrido multi-evaporadores, como se conoce, por
60 ejemplo, en los documentos US 7661464, US 6889754, US 7004240, US 8047268, US 7549461, US 81 09325, US 8066055, US 7549461 o US 7251889, que sugieren que un enlace entre evaporadores y cámara de compensación podría ser él mismo un bucle y que se incorpore esta idea en un llamado CPL avanzado, como un intento de incorporar las ventajas de un LHP robusto y la flexibilidad arquitectónica de de un CPL. Este sistema comprende dos
bucles accionados relativamente independientes uno del otro, un bucle principal y un bucle auxiliar. El bucle principal es básicamente un CPL tradicional con los mismos principios de configuración y operativos que para el CPL, cuya función es transportar el calor residual y rechazarlo a un sumidero de calor a través del condensador primario. El bucle auxiliar se utiliza para eliminar burbujas de vapor desde el núcleo de los evaporadores de CPL y para llevarlas 5 a la cámara de compensación. El bucle auxiliar contiene sólo un evaporador del tipo LHP con la cámara de compensación grande fijada. La cámara es sólo una y es común para todos los evaporadores: los evaporadores de CPL en el bucle principal y el evaporador de LHP en el bucle auxiliar. Además, el bucle auxiliar se utiliza también para facilitar el proceso de arranque. De esta manera, el bucle auxiliar sustituye funcionalmente a la mecha secundaria de un LHP convencional. La factibilidad de este diseño sólo se ha conseguido, sin embargo, cuando los
10 evaporadores están conectados en serie. Esto significa que el líquido pasa, por consiguiente, a través de los evaporadores: el flujo que abandona el primer evaporador entre en el segundo, etc.
Inicialmente, el LHP híbrido multi-evaporadores incluía tres evaporadores, uno de los cuales era un evaporador de LHP estándar conectado directamente a la cámara de compensación del sistema común, y dos evaporadores de 15 CPL de tres orificios tradicionales. Los ensayos han indicado que el sistema sólo era muy fiable durante el ciclo de potencia. A sensibilidad al ciclo de potencia era atribuida a la expansión de las burbujas de vapor en el núcleo del evaporador. La conducción de calor a través de la pared de la bomba capilar del evaporador hacía relativamente fácil nuclear vapor en el núcleo del evaporador. En el caso de operación de estado estable, estas burbujas eran barridas fuera del núcleo de los evaporadores funcionales mediante la circulación del líquido hasta la bomba capilar. 20 Sin embargo, a medida que se reducía la potencia de entrada de los evaporadores funcionales, el movimiento del líquido forzado por la acción capilar sobre el evaporador auxiliar no era suficiente para eliminar de una manera eficiente todas las burbujas de vapor fuera del núcleo del evaporador para prevenir el bloqueo de vapor de la bomba capilar (secado) después del incremento repentino de la potencia del evaporador. Por otra parte, la reducción repentina de la potencia conduce a la interrupción temporal del flujo de fluido en el condensador hasta que se ha
25 establecido un nuevo equilibrio estable de la temperatura/presión en el sistema. Por lo tanto, esta interrupción del flujo requería un desplazamiento de la mansa de flujo neta desde el evaporador y la cámara de compensación hasta el condensador. Como resultado, se interrumpía el flujo nominal en dirección hacia delante. Durante este flujo inverso podían acumularse entonces burbujas de vapor o incluso expandirse en el núcleo de la bomba capilar del evaporador, causando, por lo tanto, sequedad del evaporador y fallo del sistema.
30 Para mejorar la tolerancia al vapor, el diseño interno de los evaporadores fue modificado para incluir una mezcla especial de separación de fases, diseñada para proporcionar mejor control de la distribución de las dos fases de vapor/líquido en el núcleo de las bombas. Las modificaciones del diseño estaban destinadas a extender el control de las fases proporcionado por la mecha secundaria en el evaporador del LHP tradicional a los evaporadores de CPL. A
35 pesar de los resultados generales de éxito obtenidos durante el ensayo, la operación fue verificada en condiciones relativamente limitadas: la mayoría de las veces en orientación horizontal, los evaporadores fueron localizados próximos unos de los otros y, por lo tanto, con resistencia hidráulica similar de las líneas. Por lo tanto, tal configuración no era representativa de las condiciones de la aplicación potencial de control térmico en un vehículo espacial, cuando evaporadores y depósito remoto están separados en el espacio, y la tasa de respuesta de los
40 evaporadores a las variaciones de las condiciones de la potencia de entrada y del sumidero de calor dependen de la longitud de las líneas que conectan estos elementos. Por lo tanto, la capacidad de control de la temperatura no fue verificada de manera apropiada.
También se conoce en la técnica la tecnología de bucle de refrigeración híbrido, como se muestra, por ejemplo, en
45 los documentos US6990816 y US6948556, que combinan el bombeo activo de líquido con la gestión pasiva de líquido capilar en la estructura de mecha del evaporador y su separación de líquido/vapor. El bucle de refrigeración híbrido consta de un evaporador, un condensador, una cámara de compensación de líquido y una bomba como el diseño más sencillo. Debido al sistema de bombeo amplificador activo, el sistema de bucle híbrido podría gestionar diferentes diseños de evaporadores múltiples. A pesar de ciertas ventajas, la necesidad de medios suplementarios
50 de circulación del bucle se puede considerar como un inconveniente, debido al carácter activo de los componentes de diseño críticos, lo que reduce la fiabilidad y el tiempo de vida útil del sistema.
Otro sistema conocido desarrollado es el llamado LHP avanzado que es un LHP con dos evaporadores: evaporadores principal (funcional) y secundario (auxiliar), según el documento US 6810946 B2, por ejemplo, que 55 incorpora un evaporador secundario al diseño LHP convencional. El evaporador secundario está localizado en un entorno polarizado frío para asegurar que su bomba de capilaridad está siempre cebada. Se fijan radiadores eléctricos a este evaporador para proporcionar la potencia térmica necesaria para su funcionamiento. Con la bomba secundaria funcionando, retira activamente el vapor que se acumula en la cámara de compensación por las fugas de calor parásito a la cámara de compensación del evaporador principal y a la línea de líquido. Este diseño considera
60 sólo un LHP de un solo evaporador principal. El inconveniente principal de este método es la existente del evaporador adicional y su carácter activo. De hecho, esta solución sólo es necesaria para un LHP sin bomba secundaria diseñada de forma apropiada.
Además, un evaporador con cámara de compensación fijada ha sido propuesto para uso en un bucle accionado capilarmente, conocido por ejemplo por los documentos US7061446, US7268744 o US7841 392. La mecha capilar grande no dividida se utiliza en la porción del evaporador y en la cámara de compensación. La mecha tiene un tamaño transversal en la cámara de compensación mayor que en la porción del evaporador. No existe ningún medio que garantice la tolerancia al vapor de los evaporadores.
5 Por lo tanto, en resumen, es posible concluir que el elemento principal y el más crítico en un bucle accionado capilarmente es el evaporador. El vapor y la intolerancia a los gases no-condensables, que pueden conducir a fallo total del sistema en la transmisión de calor, es el problema principal n el desarrollo de sistemas de control térmico de dos fases de evaporadores múltiples accionados capilarmente. Varios métodos han sido propuestos e investigados
10 para resolver el problema; sin embargo, las soluciones técnicas existentes no pueden garantizar todavía una actuación fiable y estable en diferentes condiciones térmicas reales de la operación de un vehículo espacial.
Por lo tanto, la presente invención está orientada a estas necesidades.
Por lo tanto, la presente invención proporciona un sistema de transmisión de calor y de control térmico, en particular un sistema LHP accionado capilarmente de dos fases.
20 Un objeto de la invención es proporcionar un sistema LHP accionado capilarmente de dos fases, que tiene una operación fiable en una amplia gama de condiciones de funcionamiento, proporcionando al mismo tiempo medios de tolerancia de la fuga de calor parásito para el evaporador y flexibilidad en el diseño por medio de la implementación de la cámara de compensación remota.
25 Otro objeto de la presente invención es proporcionar un sistema LHP accionado capilarmente de dos fases que se puede expandir, que puede variar el número de sus evaporadores y/o condensadores.
Otros objetos del sistema LHP accionado capilarmente de dos fases de la invención son los siguientes:
30 -factor de escala: el tamaño (el diámetro y la longitud) de los evaporadores se puede variar en una amplia gama y se puede ajustar para cualquier aplicación particular necesaria; -capacidad de control: posibilidad de controlar la temperatura de funcionamiento del sistema por control térmico de la cámara de compensación remota; -capacidad de compartir la carga térmica cuando el sistema LHP accionado capilarmente de dos fases
35 comprende múltiples operadores: los rangos de potencia pueden ser diferentes para cada evaporador, de tal manera que algunos evaporadores pueden tener la carga térmica máxima, mientras otros no tienen aplicación de potencia; -flexibilidad en la configuración: teóricamente se puede utilizar un número ilimitado de evaporadores/condensadores; la distancia entre los evaporadores y la cámara de compensación puede
40 alcanzar hasta varios metros; los evaporadores, los condensadores y la cámara de compensación remota pueden estar localizados en el campo de gravedad en varios niveles con diferencia de elevación de 1-3 m, teniendo en cuenta sólo el potencial capilar de las bombas secundarias del evaporador;
-flexibilidad funcional: existe una amplia gama de potencias de entrada de calor para todo el sistema y para cada evaporador; se produce resistencia a cambio rápido de entradas de potencia y/o temperaturas de los 45 condensadores (con relación al objetivo principal de la invención; tolerancia a la fuga de calor parásito de
vapor);
-flexibilidad de integración: el entubado de diámetro pequeño (1-2 mm) que conecta los evaporadores con la cámara de compensación remota permite la instalación fácil del sistema al nivel del satélite; además, se pueden usar insertos flexibles tales como espirales de tubos y/o mangueras flexibles para mejor integración
50 del sistema; -normalización de los evaporadores: posibilidad de utilizar cámaras de compensación fijadas a los evaporadores, que tienen dimensiones normalizadas sin la necesidad de realizan ninguna re-calificación de los evaporadores para cada configuración y tamaño del sistemas; esto es especialmente importante para la mejora de la viabilidad mecánica del sistema LHP accionado capilarmente de dos fases durante la
55 vibración, ya que cada evaporador del sistema tiene cámara de compensación individual normalizada relativamente pequeña (diseño mecánico más simple como para los evaporadores con las cámaras grandes) y se pueden diseñar mecánicamente y calificar individualmente sólo una vez.
Estos objetivos se consiguen con un sistema LHP accionado capilarmente de dos fases, realizando aplicaciones de
60 transferencia de calor y de control térmico con un fluido de dos fases como un medio de trabajo. El sistema de la invención comprende al menos un evaporador, que comprende una cámara de estabilización-compensación térmica fijada al mismo, al menos un condensador, líneas de líquido y de vapor, y una cámara de compensación remote individual, que comprende depósitos hidro-acumuladores y de dos fases. La cámara de compensación remota está conectada hidráulicamente con los depósitos hidroacumuladores y de dos fases. El evaporador comprende una
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
bomba capilar primaria que sirve para absorber calor desde el equipo, que debe refrigerarse, y para proporcionar circulación continua de fluido/calor entre el evaporador, que está conectado a la fuente de calor, y el condensador, que está conectado al sumidero de calor. Una bomba de calor secundaria está localizada dentro de la mecha primaria y dentro de la cámara de estabilización-compensación térmica y sirve para suministrar líquido a la mecha primaria, y para proporcionar circulación intermitente de fluido/calor en regímenes transitorios de operación del sistema, entre la parte interior de la mecha primaria y la cámara de compensación remota controlada térmicamente. En regímenes de estado estable de operación del sistema, la cámara de estabilización-compensación sirve para remover fuga de calor interno a través de una bomba capilar primaria por convección y condensación sobre la superficie de intercambio de calor, que separada los depósitos hidro-acumuladores y de dos fases en la cámara de estabilización-compensación térmica.
Otras características y ventajas de la presente invención se describirán en la siguiente descripción detallada de formas de realización ilustrativas de su objeto con relación a las figuras adjuntas.
Descripción de los dibujos
Las características, objetos y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la lectura de esta descripción en combinación con los dibujos que se acompañan, en los que:
Las figuras 1a, 1b y 1c muestran vistas esquemáticas del dispositivo LHP de la invención, que tiene una cámara de compensación remota y dos evaporadores.
La figura 2 muestra una vista general del dispositivo LHP de la invención que tiene evaporadores múltiples (4 unidades) y condensadores múltiples (2 unidades).
Descripción detallada de la invención
La presente invención se refiere a un dispositivo LHP 1 que comprende un evaporador 2 que contiene una cámara de estabilización-compensación 10, una combinación de una bomba capilar primaria 30 y una bomba capilar secundaria 40, junto con los componentes de bombeo correspondientes del dispositivo LHP 1. La bomba capilar primaria 30 sirve para bombear líquido desde el sistema que debe refrigerarse. La bomba capilar secundaria 40 sirve para suministrar líquido a la bomba capilar primaria 30 y, junto con la cámara de estabilización-compensación 10 y la cámara de compensación remota 20, para proporcionar medios para eliminar el vapor que se forma por fuga de calor parásito interno 18 del al menos un evaporador 2.
La presente invención se refiere a un dispositivo LHP 1, que pueden ser formas de realización del tipo de evaporador-condensador sencillo o evaporadores múltiples (y/o condensadores), como se muestra en las figuras 1a, 1b, 1c. El dispositivo LHP 1 de la invención comprende los siguientes componentes:
-al menos un evaporador 2: el evaporador 2 comprende una cámara de estabilización-compensación 10, una combinación de una bomba capilar primaria 30 y una bomba capilar secundaria 40. La bomba capilar primaria 30 sirve para bombear fluido en el dispositivo LHP 1, cuya evaporación absorbe calor desde el equipo que debe refrigerarse. La bomba capilar secundaria 40 sirve para suministrar líquido a la bomba capilar primaria 30 y, junto con la cámara de estabilización-compensación 10 y la cámara de compensación remota 20, para proporcionar medios para eliminar el vapor que se forma por fuga de calor parásito interno 18 del al menos un evaporador 2; -una cámara de compensación remota 20 en condición de dos fases para funciones de control de la temperatura y para gestionar cambios del volumen de la fase líquida junto con fugas excesivas de calor parásito de vapor en los regímenes transitorios de LHP, proporcionando diseño normalizado compacto del evaporador 2 y posibilidad de expansión en la forma de realización que tiene evaporadores 2 múltiples; no hay necesidad de cámaras de estabilización-compensación con volúmenes grandes, dependiendo del volumen total del dispositivo LHP 1, ya que pueden tener volúmenes unificados mínimos, suficientes para gestionar y asegurar la tolerancia al vapor / gases nocondensables en regímenes de estado estable; -al menos un condensador 27; -línea de vapor 28 y línea de líquido 24.
Las figuras 1a, 1b y 1c muestran diferentes esquemas de una forma de realización de la invención, que muestra un dispositivo LHP 1 que tiene una disposición de una cámara de compensación remota 20 y evaporadores 2, de tal manera que:
-La figura 1a muestra una cámara de compensación remota 20 que está conectada a un depósito de dos fases 5 de la cámara de estabilización-compensación 10 por una línea de dos fases 12, estando conectado el depósito acumulador de líquido 6 de la cámara de estabilización-compensación 10 a la cámara de compensación remota 20 por una línea de líquido 13. El líquido retornado desde el condensador se pasa siempre a través de la cámara de compensación remota 20 antes de llegar a los evaporadores 2.
-La figura 1bmuestra la cámara de compensación remota 20 que está conectada al depósito de dos fases 5 de la cámara de estabilización-compensación 10 por una línea de dos fases 12, estando conectada la línea de líquido 13 directamente a la línea de líquido 24 que retorna líquido a un tubo de bayoneta 7 en la entrada del evaporador 2 desde el condensador 27. A través de las líneas 13 y 24, la cámara de compensación remota 20 tiene un enlace
5 hidráulico con el depósito acumulador de líquido 6 de la cámara de estabilización-compensación 10.
-La figura 1c muestra la cámara de compensación remota 20 que está conectada al depósito de dos fases 5 de la cámara de estabilización-compensación 10 por una línea de dos fases 12, comprendiendo también la cámara de estabilización-compensación 10 un depósito acumulador de líquido 6 conectado directamente a la cámara de
10 compensación remota 20 por una línea de retorno de líquido 13.
Los tres casos presentados ilustran diferentes variantes de diseños de la cámara de compensación remota 20 y diferentes maneras de disposición en el dispositivo LHP 1. El orificio de dos fases de la cámara de compensación remota 20 está conectado a través de la línea 12 con la cámara de estabilización-compensación 10. Sin embargo, el 15 (los) orificios de líquido de la cámara de compensación remota 20 puede(n) estar conectado(s) a la cámara de estabilización-compensación 10 de 3 maneras diferentes: directamente, a través de la línea de líquido 24 en serie y en paralelo. Dos es la cantidad mínima de orificios de fluido (uno es para la línea de dos fases 12 y el segundo para la línea de retorno de líquido 13. La cantidad máxima de orificios de fluido para la cámara de compensación remota 20 se puede calcular multiplicando el número de evaporadores por dos y añadiendo el número de condensadores:
20 en este caso, cada evaporador tiene dos líneas individuales 12 y 13 que unen la cámara de estabilizacióncompensación 10 con la cámara de compensación remota 20 y la cámara de compensación remota 20 tiene líneas de líquido 20 adicionales conectadas con el condensador. Son posibles diferentes combinaciones entre cantidad máxima y mínima de orificios y también proporciona flexibilidad en el diseño del sistema.
25 Los números mostrados en las figuras 1a-1b-1c y 2 representan lo siguiente:
1 Dispositivo LHP 2 Evaporador 3 Interfaz de vapor-líquido
30 4 Separador de los lados de baja y alta presión de la bomba capilar primaria 30 5 Depósito de dos fases conectado al núcleo interno de la bomba capilar primaria 30 6 Depósito acumulador de líquido 7 Tubo de bayoneta, entrada de la línea de transporte de líquido desde el condensador 27 8 Dirección del flujo de líquido
35 9 Sumidero de calor 10 Cámara de estabilización-compensación 11 Dirección del flujo de vapor 12 Línea de dos fases a la cámara de compensación remota 20 13 Línea de retorno de líquido de la cámara de compensación remota 20
40 14 Fluido en estado líquido 15 Intercambiador de calor (superficie de intercambio de calor) – separador de los lados de baja (líquido) y alta
(dos fases) presión de la bomba capilar secundaria 40 16 Canales de retirada de vapor dentro de la bomba capilar primaria 30 (núcleo del evaporador) 17 Entrada de calor
45 18 Fuga de calor parásito en el núcleo central de la bomba capilar primaria 30 19 Canales de retirada de vapor fuera de la bomba capilar primaria 30 20 Cámara de compensación remota 22 Burbujas de vapor 23 Gota de líquido
50 24 Línea de transporte de líquido 25 Mecha porosa dentro de la cámara de compensación remota 20 26 Canal de líquido 27 Condensador 28 Línea de vapor
55 29 Fluido en estado de vapor 30 Bomba capilar primaria 31 Fluido en estado de dos fases 40 Bomba capilar secundaria
60 El evaporador 2 comprende una cámara de estabilización-compensación pequeña 10 que contiene una bomba capilar secundaria 40, diseñada de tal manera que gestiona eficientemente el flujo de vapor debido a la fuga de calor parásito 18 en el núcleo central de la bomba capilar primaria 30.
El diseño del evaporador 2 comprende una bomba capilar primaria 30 con canales externos de retirada del vapor 19
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
fuera de la bomba capilar primaria 30, una bomba capilar secundaria 40 y una cámara de estabilizacióncompensación 10 que comprende dos cámaras, un depósito de dos fases 5 y un depósito acumulador de líquido 6. La bomba capilar primaria 30 comprende también canales internos de retirada de vapor 16 en el núcleo del evaporador 2, para remover el vapor que se forma debido a la fuga de calor a través de la bomba capilar primaria
30. Estos canales de retirada de vapor 16 están conectados con el depósito de dos fases 5 pequeño cerca de las salidas de los canales de retirada de vapor 16. Este depósito de dos fases 5 comprende un intercambiador de calor 15 (superficie de intercambio de calor) entre el depósito de dos fases 5 y el depósito acumulador de líquido 6 de la cámara de estabilización-compensación 10. El depósito acumulador de líquido 6 y el depósito de dos fases 5 con la superficie de intercambio de calor 15 se pueden llamar como cámara de estabilización-compensación 10. La bomba capilar secundaria 40 está localizada en el interior de la bomba capilar primaria 30 y la cámara de estabilizacióncompensación 10. Una mecha porosa 25 está instalada en el interior de la cámara de compensación remote 20 para gestionare la distribución del fluido en condiciones de micro gravedad. La mecha poros 25 previene también la penetración de vapor o de burbujas de gas no condensables en la línea de líquido 13 así como en el depósito acumulador de líquido 6.
El fluido de trabajo está presente en tres estados dentro del dispositivo LHP 1 de la invención: estado de vapor 29, estado líquido 14 y estado de dos fases 31.
Cuando se suministra calor 17 al evaporador 2 por el equipo de liberación de calor o fuente de calor, el calor evapora el líquido de trabajo. El vapor pasa desde el evaporador 2 hasta el condensador 27 a través de la línea de transporte de vapor 28, donde se condensa. Después de eso, el líquido de trabajo retorna a la cámara de estabilización-compensación 10 y al evaporador 2 a través de la línea de transporte de líquido 24, que debe evaporarse de nuevo en la bomba capilar primaria 30 del evaporador 2. A diferencia de los sistemas LHP ordinarios, el dispositivo LHP 1 propuesto de la invención es controlado por la cámara de compensación remota 20, ya que dos fases están presentes siempre en esta cámara.
El enlace de la bomba capilar secundaria 40 y la cámara de estabilización-compensación 10 proporciona las siguientes funciones: -redistribuye y suministra líquido desde el tubo de bayoneta 7 y el canal de líquido interno 26, suministrándolo a la bomba capilar primaria 30 (principalmente en regímenes de estado estable); -transporta líquido desde la cámara de compensación remota 20 a través del depósito acumulador de líquido 6, suministrándolo a la bomba capilar primaria 30 (principalmente en regímenes transitorios); -junto con la cámara de estabilización-compensación 10 y la cámara de compensación remota 20, proporciona medios pasivos de tolerancia a fuga de calor parásito de vapor individualmente para cada evaporador 2 (o diseño de evaporadores múltiples).
El dispositivo LHP 1 puede contener varios evaporadores 2 y varios condensadores 27 (figuras 1, 2). Se proporciona la oportunidad de que los evaporadores 2 puedan recoger la potencia de diferentes fuentes de calor, que podrían localizarse lejos uno de los otros gracias a la flexibilidad/adaptabilidad proporcionada por el concepto de dispositivo LHP 1: son posibles varias formas de la presente invención con respecto al rechazo de potencia. Incluso para el dispositivo LHP 1 de un solo evaporador, se pueden colocar varios condensadores 27 en diferentes localizaciones para aprovechar la ventaja de las condiciones más favorables del sumidero dependiendo de la posición a lo largo de la órbita (para aplicaciones en el espacio del dispositivo LHP 1), por ejemplo, se pueden colocar dos condensadores paralelos 27 en caras opuestas (figura 2).
Varios medios de gestión de la tolerancia al vapor están diseñados para compensar la penetración de fuga de calor primario a través de la bomba capilar primaria 30 hasta el núcleo del evaporador 2 y para compensar la penetración de fuga de calor parásito secundario a través de la bomba capilar secundaria 40 (que es significativa menor en el orden de magnitud que la fuga de calor parásito primario): -el intercambiador de calor 15 en la cámara de estabilización-compensación 10 proporciona la posibilidad de refrigerar y condensar vapor generado por la fuga de calor parásito principal (primario) 18; el líquido frío subrefrigerado en el depósito acumulador de líquido 6 se refrigera u condensa burbujas de vapor 22 cuando existe líquido en el depósito de dos fases 5 o condensa vapor con la formación de gotas de líquido 23 sobre la superficie de intercambio de calor 15, estando diseñado el intercambiador de calor 15 con un área de la superficie calculada para condensar vapor que corresponde al 10-15 % de la carga de calor de entrada 17 del evaporador (valores máximos posibles de la fuga de calor), de manera que la línea de dos fases 12 se llena normalmente con líquido, que es el régimen nominal de la operación del LHP en condiciones de estado estable, siendo el intercambiador de calor 15 el medio principal de tolerancia a la fuga de calor parásito de vapor; -un mecanismo de "barrido del núcleo" auto-inducido para asegurar la compensación de la fuga de calor parásito durante regímenes transitorios, de tal manera que la bomba capilar secundaria 40 garantiza la retirada de vapor desde el núcleo del evaporador 16 hasta la cámara de compensación remota 20 y el retorno de líquido 13 hasta la cámara de estabilización-compensación 10, que es especialmente importante durante regímenes de operación transitoria (cambio de calor de entrada 17 y/o temperatura del condensador) con fuga de calor elevada; -diseño de la cámara de estabilización-compensación 10 como un acumulador de líquido frío, proporcionando
compensación efectiva de la fuga de calor parásito secundaria a través de la bomba capilar secundaria 40.
Por lo tanto, los medios principales de tolerancia al vapor / gases no-condensables están localizados en la proximidad máxima a los evaporadores 2. Además, no sólo el líquido que fluye desde el condensador 26 llega hasta
5 el evaporador 2, sino que también el líquido almacenado en el depósito acumulador de líquido 6 puede ser suministrado al evaporador 2 cuando se requiera (principalmente en regímenes transitorios), proporcionando fiabilidad adicional para el sistema. Además, se pueden considerar varios medios redundantes adicionales: LHP auxiliar y/o refrigerador termo-eléctrico, por ejemplo.
10 El vapor generado por la fuga de calor interno 18 en el núcleo del evaporador que se mueve hasta el depósito de dos fases 5 se condensa por el intercambiador de calor 15 (operación de caso nominal). Por lo tanto, la línea de dos fases 12 que conecta el depósito de dos fases y la cámara de compensación remota 20 está llena normalmente de líquido.
15 Durante los regímenes transitorios más desfavorables, parte del vapor 11, que podría condensarse completamente sobre la superficie de intercambio de calor 15 en la cámara de estabilización-condensación 10, puede pasar a la cámara de compensación remota 20 para condensarse allí. El resto de la fuga de calor (fuga secundaria que penetra en el canal de líquido a través de la bomba capilar secundaria 40) será compensada con condensación en el depósito acumulador de líquido 6 en la cámara de estabilización-compensación 10 por líquido sub-refrigerado.
20 La presencia de la cámara de compensación remota 20 da la oportunidad de gestionar gas no-condensable dentro del LHP. En LHP típico, el gas no-condensable está localizado en la cámara de compensación 10 en la proximidad del evaporador 2 y puede penetrar en el núcleo del evaporador 16 y de esta manera puede influir más significativamente en el evaporador 2 y, por lo tanto, en la operación del LHP. En el diseño propuesto de acuerdo
25 con la invención, el gas no-condensable se moverá hasta la cámara de compensación remota 20 y acumulará gas no-condensable previniendo el impacto negativo sobre la operación del LHP.
Tal esquema garantiza la tolerancia al vapor / gases no-condensables del dispositivo LHP 1 y la fiabilidad del sistema (especialmente en regímenes transitorios) individualmente, pasiva y automáticamente para cada evaporador 30 2 (opción de evaporadores múltiples), sin la necesidad de tener un control activo. Este diseño es una alternativa más simple y más robusta a los diseños de "bombeo forzado" externo activo de soluciones técnicas conocidas en la técnica anterior equipados con bucles auxiliares remotos bombeados capilar o mecánicamente para todo el sistema. La bomba capilar secundaria 30 trabaja como una bomba capilar del bucle secundario con cámara de compensación remota 20 como un condensador para absorber fuga de calor a través de la bomba capilar primaria 30. De esta
35 manera, la bomba capilar secundaria 40 tiene función similar a un bucle auxiliar remoto bombeado capilar o mecánicamente en diseños conocidos.
Una cámara de compensación remota 20 (común para todos los evaporadores 2 de la opción de evaporadores múltiples) incluida en el diseño propuesto sirve para acumular líquido y compensar los cambios de volumen de 40 líquido durante la operación del dispositivo LHP 1. Este depósito grandes ayuda a evitar la obligación de diseñar una cámara de compensación de volumen grandes para los evaporadores individuales en la opción de evaporadores múltiples (en LHPs ordinarios con evaporadores múltiples, sus volúmenes dependen estrictamente del número total de evaporadores 2 en el sistema). Por lo tanto, esta configuración permite tener un diseño escalable que se puede ajustar más fácilmente al número requerido de evaporadores 2 y a los requerimientos específicos de cada
45 aplicación, puesto que los evaporadores 2 tendrán el mismo diseño independientemente del diseño y del volumen de las líneas, condensadores 27, número total de evaporadores 2, etc. Sólo el volumen de la cámara de compensación remota 20 debe ajustarse para requerimientos específicos.
El diseño y la localización de la cámara de compensación remota 20 se pueden seleccionar dependiendo de las
50 finalidades funcionales y las limitaciones geométricas. Sin embargo, es recomendable controlar la temperatura de la cámara de compensación remota 20. Para tales finalidades, se pueden considerar varias opciones y se puede seleccionar la mejor solución dependiendo de cada uno de los requerimientos de la aplicación: -tener un control activo utilizando un calentador o refrigerador termo-eléctrico, para controlar la temperatura y facilitar el cebado del bucle antes del arranque;
55 -tener un enlace térmico con el medio ambiente para mantener su temperatura en un cierto rango.
El dispositivo LHP 1 de la invención puede comprender varios elementos adicionales opcionales, tales como: -un sub-refrigerador localizado entre el condensador 27 y la salida de la línea de líquido 24: -se puede instalar un bloqueador capilar en la salida de los condensadores paralelos 27 para una distribución
60 mejorada del vapor entre ellos; -también se podrían introducir bloqueadores capilares adicionales en las salidas de las líneas de líquido 24 de evaporadores múltiples 2 para prevenir que la línea de líquido 24 y los evaporadores 2 experimenten caídas de la presión.
El dispositivo LHP 1 de la invención puede comprender, además, medios auxiliares externos tales como enlaces de polarización fría o refrigeradores termo-eléctricos para sub-refrigerar el líquido dentro de los depósitos acumuladores de líquido 6 en las cámaras de estabilización-compensación 10.
5 También existen otros elementos auxiliares para proporcionar sub-refrigeración a los depósitos acumuladores líquidos 6 en la cámara de estabilización-compensación 10: esta refrigeración se establece principalmente como medio adicional para remover la conducción de retorno de los evaporadores 2 y la fuga de calor parásito a la línea de líquido 24. Por lo tanto, se consideran varias opciones: -enlaces de polarización fría;
10 -refrigeradores termo-eléctricos localizados en la cámara de estabilización-compensación 10.
Todas las opciones mencionadas anteriormente deberían evaluarse con cuidado para cada caso particular dependiendo de las condiciones operativas deseadas para el dispositivo LHP.
15 Aunque la presente invención se ha descrito totalmente en conexión con formas de realización preferidas, es evidente que se pueden introducir modificaciones dentro de su alcance, sin considerar que esté limitada por estas formas de realización, sino por el contenido de las siguientes reivindicaciones.
Claims (8)
-
imagen1 REIVINDICACIONES1.-Aparato de tubo de calor en bucle (1) para transmisión de calor y control térmico, que utiliza un fluido de dos fases como un medio de trabajo y que comprende: 5-al menos un evaporador (2) que debe conectarse con una fuente de calor y que comprende una cámara de estabilización-compensación térmica (10) fijada al menos a un evaporador (2) y una bomba capilar secundaria (40) localizada dentro de la cámara de estabilización-compensación térmica (10),ç-al menos un condensador (27) que debe conectarse con un sumidero de calor, 10 -líneas de líquido (24) y líneas de vapor (28) que conectan el al menos un evaporador (2) y el al menos un condensador (27), y -una cámara de compensación remota (20),caracterizado porque la cámara de estabilización-compensación térmica (10) comprende un depósito de dos fases15 (5) y un depósito acumulador de líquido (6) separado por una superficie de intercambio de calor (15), de tal manera que la cámara de compensación remita (20) está conectada hidráulicamente con el depósito de dos fases (5) y con el depósito acumulador de líquido (6).2-Aparato de tubo de calor en bucle (1) para transmisión de calor y control térmico, de acuerdo con la reivindicación20 1, que comprende, además, una bomba capilar primaria (30), que comprenden canales exteriores de vapor (19) para recoger y remover calor desde la fuente de calor y canales internos de vapor (16) para recoger y remover vapor producido por fuga de calor parásito que penetra a través de la bomba capilar primaria (30). - 3.-Aparato de tubo de calor en bucle (1) para transmisión de calor y control térmico, de acuerdo con la reivindicación25 2, en el que los canales internos de vapor (16) están conectados con el depósito de dos fases (5) de la cámara de estabilización-compensación (10), en el que el vapor removido generado debido a fuga de calor parásito es condensado sobre la superficie de intercambio de calor (15) dedicada.
- 4.-Aparato de tubo de calor en bucle (1) para transmisión de calor y control térmico, de acuerdo con una cualquiera 30 de las reivindicaciones precedentes, en el que la bomba capilar secundaria (40) contiene un canal interno de líquido(26) con un tubo de bayoneta (7) para líquido retornado desde el condensador (27) y la cámara de compensación remota (20).
- 5.-Aparato de tubo de calor en bucle (1) para transmisión de calor y control térmico, de acuerdo con una cualquiera35 de las reivindicaciones precedentes, en el que la cámara de compensación remota (20) tiene una estructura capilar interna que separa una línea de retorno de líquido (13) de todo el volumen de la cámara de compensación remota(20) para prevenir que flujo/burbujas de vapor penetren en la línea de retorno de líquido (13) y dentro del depósito acumulador de líquido (6) de la cámara de estabilización-compensación (10).40 6.-Aparato de tubo de calor en bucle (1) para transmisión de calor y control térmico, de acuerdo con la reivindicación 5, en el que la cámara de compensación remota (20) está conectada con el depósito de dos fases (5) de la cámara de estabilización-compensación (10) por una línea de dos fases (12) y con el depósito acumulador de líquido (6) de la cámara de estabilización-compensación (10) directamente por la línea de retorno de líquido (13).45 7.-Aparato de tubo de calor en bucle (1) para transmisión de calor y control térmico, de acuerdo con la reivindicación 5, en el que la cámara de compensación remota (20) está conectada con el depósito de dos fases (5) de la cámara de estabilización-compensación (10) por una línea de dos fases (12) y con el depósito acumulador de líquido (6) de la cámara de estabilización-compensación (10) por la línea de retorno de líquido (13) y una línea de transporte de líquido (24).50 8.-Aparato de tubo de calor en bucle (1) para transmisión de calor y control térmico, de acuerdo con la reivindicación 5, en el que la cámara de compensación remota (20) está conectada con el depósito de dos fases (5) de la cámara de estabilización-compensación (10) por una línea de dos fases (12) y con el depósito acumulador de líquido (10) por la línea de retorno de líquido (13) que tiene dos funciones: transportar líquido hasta una entrada de bayoneta (7)55 del evaporador (2) desde el condensador (27) a través de una línea de transporte de líquido (24), y retornar líquido desde la cámara de compensación remota (20).
- 9.-Aparato de tubo de calor en bucle (1) para transmisión de calor y control térmico, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende, además, varios evaporadores (2).60 10.-Aparato de tubo de calor en bucle (1) para transmisión de calor y control térmico, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende, además, varios condensadores (27).
- 11.-Aparato de tubo de calor en bucle (1) para transmisión de calor y control térmico, de acuerdo con la12
imagen2 reivindicación 9 ó 10, que comprende un bloqueador capilar en una línea de transporte de líquido (24) en una entrada de líquido de cada evaporador (2). - 12.-Aparato de tubo de calor en bucle (1) para transmisión de calor y control térmico, de acuerdo con la 5 reivindicación 10, que comprende un bloqueador capilar en la salida de líquido de cada condensador (27).
- 13.-Aparato de tubo de calor en bucle (1) para transmisión de calor y control térmico, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que compren de, además, medios auxiliares externos para sub-refrigeración de líquido dentro de depósitos acumuladores de líquido (6) de cámaras de estabilización-compensación (10).10 14.-Aparato de tubo de calor en bucle (1) para transmisión de calor y control térmico, de acuerdo con la reivindicación 13, los medios auxiliares externos para sub-refrigerar el líquido dentro de depósitos acumuladores de líquido de las cámaras de estabilización-compensación (19) son enlaces de polarización fría o refrigeradores eléctricos térmicos.1513
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/ES2012/070918 WO2014102402A1 (es) | 2012-12-28 | 2012-12-28 | Aparato de caloducto en bucle cerrado para transmisión de calor y control térmico |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2648877T3 true ES2648877T3 (es) | 2018-01-08 |
Family
ID=47891759
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES12832734.3T Active ES2648877T3 (es) | 2012-12-28 | 2012-12-28 | Aparato de tubo de calor en bucle para transmisión de calor y control térmico |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20150338171A1 (es) |
| EP (1) | EP2940416B1 (es) |
| ES (1) | ES2648877T3 (es) |
| WO (1) | WO2014102402A1 (es) |
Families Citing this family (38)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8422218B2 (en) * | 2007-04-16 | 2013-04-16 | Stephen Samuel Fried | Liquid cooled condensers for loop heat pipe like enclosure cooling |
| FR2965903B3 (fr) * | 2010-10-08 | 2012-10-26 | Astrium Sas | Systeme de transfert de chaleur |
| FR3006431B1 (fr) * | 2013-05-29 | 2015-06-05 | Euro Heat Pipes | Dispositif de transport de chaleur a fluide diphasique |
| WO2015008485A1 (ja) * | 2013-07-19 | 2015-01-22 | 日本電気株式会社 | 密閉筐体の冷却構造及びそれを用いた光学装置 |
| ES2625404T3 (es) | 2014-08-14 | 2017-07-19 | Ibérica Del Espacio, S.A. | Bucle de transferencia de calor de dos fases de control avanzado |
| ITUB20150833A1 (it) | 2015-05-21 | 2016-11-21 | Alenia Aermacchi Spa | Sistema di recupero del calore, particolarmente per impiego su velivolo, utilizzante un circuito a fluido bifase. |
| CN106524602A (zh) * | 2016-11-11 | 2017-03-22 | 深圳智焓热传科技有限公司 | 二相流散热系统 |
| US10119767B2 (en) | 2017-02-10 | 2018-11-06 | Hamilton Sundstrand Corporation | Two-phase thermal loop with membrane separation |
| US10436521B2 (en) | 2017-02-10 | 2019-10-08 | Hamilton Sundstrand Corporation | Dual-mode thermal management loop |
| US10295271B2 (en) | 2017-02-10 | 2019-05-21 | Hamilton Sundstrand Corporation | Two-phase thermal loop with rotary separation |
| EP3376148B1 (en) * | 2017-03-14 | 2019-09-11 | Allatherm SIA | Evaporator-reservoir modular unit |
| CN109405605B (zh) * | 2017-08-18 | 2024-05-03 | 泽鸿(广州)电子科技有限公司 | 回路型热管 |
| CN107726904A (zh) * | 2017-10-31 | 2018-02-23 | 华中科技大学 | 一种用于多热源散热的微泵辅助环路热管 |
| EP3717975B1 (de) * | 2017-11-27 | 2024-10-23 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren und vorrichtung zur projektierung einer spezifi-schen verfahrenstechnischen anlage |
| CN108519009B (zh) * | 2018-04-13 | 2023-06-27 | 中国科学院理化技术研究所 | 热管装置 |
| CN109539841B (zh) * | 2018-11-15 | 2020-03-24 | 珠海格力电器股份有限公司 | 环路热管用蒸发器、环路热管系统及电器 |
| CN109387108B (zh) * | 2018-11-21 | 2024-03-26 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种用于低温回路热管的可更换式蒸发器补偿器 |
| CN110160384B (zh) * | 2019-01-11 | 2020-04-24 | 青岛海尔空调器有限总公司 | 芯片换热器及变频空调器 |
| JP7210379B2 (ja) * | 2019-05-31 | 2023-01-23 | 新光電気工業株式会社 | ループ型ヒートパイプ |
| CN111076582B (zh) * | 2019-11-22 | 2021-03-26 | 北京空间机电研究所 | 一种航天器用防逆流多芯毛细泵组件 |
| KR102233280B1 (ko) * | 2019-12-11 | 2021-03-29 | 창원대학교 산학협력단 | 진동형 히트파이프를 적용한 극저온 루프 히트파이프 |
| US11104451B2 (en) * | 2020-01-17 | 2021-08-31 | B/E Aerospace, Inc | Systems and methods for mitigating condensation in aircraft lighting |
| WO2021195145A1 (en) | 2020-03-23 | 2021-09-30 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Hybrid loop heat pipe with integrated magnetically levitating bearingless pump |
| EP3919850A1 (en) * | 2020-06-03 | 2021-12-08 | ABB Schweiz AG | Loop heat pipe for low voltage drives |
| US11732975B2 (en) | 2020-09-15 | 2023-08-22 | Battelle Energy Alliance, Llc | Heat exchangers and related systems and methods |
| CN112146495B (zh) * | 2020-09-25 | 2022-07-22 | 奇鋐科技股份有限公司 | 气液冷凝系统 |
| WO2022082067A1 (en) * | 2020-10-16 | 2022-04-21 | Honeywell International Inc. | Novel heat pipe configurations |
| CN114485235A (zh) * | 2020-10-23 | 2022-05-13 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种带旁路结构的回路热管 |
| CN113834359B (zh) * | 2021-03-01 | 2025-08-05 | 苏州圣荣元电子科技有限公司 | 环路热管、降低环路热管传热温差的方法及组件 |
| CN113983843B (zh) * | 2021-03-01 | 2025-08-08 | 苏州圣荣元电子科技有限公司 | 薄板型环路热管 |
| US20240151478A1 (en) * | 2021-03-01 | 2024-05-09 | ShengRongYuan(Suzhou) Technology Co., Ltd | Loop heat pipe, and method and component for reducing heat transfer temperature difference of loop heat pipe |
| WO2022183793A1 (zh) * | 2021-03-01 | 2022-09-09 | 苏州圣荣元电子科技有限公司 | 薄板型环路热管 |
| CN115900403B (zh) * | 2021-08-03 | 2026-02-24 | 苏州圣荣元电子科技有限公司 | 一种环路热管 |
| CN116067211B (zh) * | 2021-11-02 | 2024-03-01 | 山东大学 | 一种设置热电制冷器的环路热管 |
| CN113819781B (zh) * | 2021-11-09 | 2022-06-17 | 山东大学 | 一种多吸热放热部件环路热管 |
| US12359876B1 (en) * | 2023-03-01 | 2025-07-15 | Government Of The United States As Represented By The Secretary Of The Air Force | Ground testable spacecraft heat pipe |
| CN116753672A (zh) * | 2023-08-11 | 2023-09-15 | 北京空间机电研究所 | 一种基于环路热管的高效热管理系统 |
| US20250060168A1 (en) * | 2023-08-14 | 2025-02-20 | The Boeing Company | Pumped Two-Phase Cooling of Aircraft Electronics |
Family Cites Families (28)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US1395927A (en) | 1917-11-24 | 1921-11-01 | Daniel W Millsaps | Car-door opener |
| US1626798A (en) | 1922-09-14 | 1927-05-03 | John L Fay | Fuel-mixing device for internal-combustion engines |
| US4515209A (en) | 1984-04-03 | 1985-05-07 | Otdel Fiziko-Tekhnicheskikh Problem Energetiki Uralskogo Nauchnogo Tsentra Akademi Nauk Ssr | Heat transfer apparatus |
| US5220809A (en) * | 1991-10-11 | 1993-06-22 | Nartron Corporation | Apparatus for cooling an air conditioning system electrical controller |
| BE1009410A3 (fr) | 1995-06-14 | 1997-03-04 | B C A Sa | Dispositif de transport de chaleur. |
| US5737923A (en) * | 1995-10-17 | 1998-04-14 | Marlow Industries, Inc. | Thermoelectric device with evaporating/condensing heat exchanger |
| US5586549A (en) * | 1996-01-03 | 1996-12-24 | Thermacore, Inc. | Combined solar and gas heater |
| RU2120592C1 (ru) | 1996-06-06 | 1998-10-20 | Институт теплофизики Уральского отделения РАН | Теплопередающее устройство |
| FR2752291B1 (fr) * | 1996-08-12 | 1998-09-25 | Centre Nat Etd Spatiales | Evaporateur capillaire pour boucle diphasique de transfert d'energie entre une source chaude et une source froide |
| JP3450148B2 (ja) * | 1997-03-07 | 2003-09-22 | 三菱電機株式会社 | ループ型ヒートパイプ |
| JP2001221584A (ja) * | 2000-02-10 | 2001-08-17 | Mitsubishi Electric Corp | ループ型ヒートパイプ |
| US6227288B1 (en) * | 2000-05-01 | 2001-05-08 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Multifunctional capillary system for loop heat pipe statement of government interest |
| US8109325B2 (en) | 2000-06-30 | 2012-02-07 | Alliant Techsystems Inc. | Heat transfer system |
| US7251889B2 (en) | 2000-06-30 | 2007-08-07 | Swales & Associates, Inc. | Manufacture of a heat transfer system |
| US8047268B1 (en) | 2002-10-02 | 2011-11-01 | Alliant Techsystems Inc. | Two-phase heat transfer system and evaporators and condensers for use in heat transfer systems |
| US7004240B1 (en) | 2002-06-24 | 2006-02-28 | Swales & Associates, Inc. | Heat transport system |
| WO2002002201A2 (en) * | 2000-06-30 | 2002-01-10 | Swales Aerospace | Phase control in the capillary evaporators |
| US7549461B2 (en) | 2000-06-30 | 2009-06-23 | Alliant Techsystems Inc. | Thermal management system |
| US6615912B2 (en) * | 2001-06-20 | 2003-09-09 | Thermal Corp. | Porous vapor valve for improved loop thermosiphon performance |
| FR2829746B1 (fr) | 2001-09-18 | 2003-12-19 | Cit Alcatel | Dispositif de transfert de chaleur |
| AR037974A1 (es) * | 2001-12-21 | 2004-12-22 | Tth Res Inc | Un aparato de serpentina de tubos isotermicos |
| US7061446B1 (en) | 2002-10-24 | 2006-06-13 | Raytheon Company | Method and apparatus for controlling temperature gradients within a structure being cooled |
| FR2853883B1 (fr) | 2003-04-15 | 2006-01-27 | Cit Alcatel | Satellite comportant des moyens de transfert thermique d'une etagere supportant des equipements vers des panneaux radiateurs |
| TW592033B (en) * | 2003-10-20 | 2004-06-11 | Konglin Construction & Mfg Co | Heat transfer device and manufacturing method thereof |
| US6948556B1 (en) | 2003-11-12 | 2005-09-27 | Anderson William G | Hybrid loop cooling of high powered devices |
| US6990816B1 (en) | 2004-12-22 | 2006-01-31 | Advanced Cooling Technologies, Inc. | Hybrid capillary cooling apparatus |
| US7661464B2 (en) | 2005-12-09 | 2010-02-16 | Alliant Techsystems Inc. | Evaporator for use in a heat transfer system |
| JP5360226B2 (ja) * | 2009-11-19 | 2013-12-04 | 富士通株式会社 | ループ型ヒートパイプシステム及び情報処理装置 |
-
2012
- 2012-12-28 EP EP12832734.3A patent/EP2940416B1/en active Active
- 2012-12-28 WO PCT/ES2012/070918 patent/WO2014102402A1/es not_active Ceased
- 2012-12-28 ES ES12832734.3T patent/ES2648877T3/es active Active
- 2012-12-28 US US14/654,742 patent/US20150338171A1/en not_active Abandoned
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20150338171A1 (en) | 2015-11-26 |
| EP2940416B1 (en) | 2017-09-27 |
| EP2940416A1 (en) | 2015-11-04 |
| WO2014102402A1 (es) | 2014-07-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| ES2648877T3 (es) | Aparato de tubo de calor en bucle para transmisión de calor y control térmico | |
| ES2625404T3 (es) | Bucle de transferencia de calor de dos fases de control avanzado | |
| ES2764164T3 (es) | Dispositivo de refrigeración | |
| US10234213B2 (en) | Device for heat transport with two-phase fluid | |
| US3661202A (en) | Heat transfer apparatus with improved heat transfer surface | |
| ES2769812T3 (es) | Mecanismo para mitigar condiciones de flujo de calor elevado en un evaporador o condensador de termosifón | |
| US9777967B2 (en) | Temperature glide thermosyphon and heat pipe | |
| Ku et al. | Recent advances in capillary pumped loop technology | |
| JP2017531154A (ja) | 貯留機能を備えた平面型ヒートパイプ | |
| FR2840394A1 (fr) | Dispositif de transfert de chaleur pour satellite comprenant un evaporateur | |
| US4492266A (en) | Manifolded evaporator for pump-assisted heat pipe | |
| US20160245593A1 (en) | Intermittent Thermosyphon | |
| WO2012052573A1 (es) | Dispositivo de control térmico regulado por presión. | |
| JP5664107B2 (ja) | ループ型ヒートパイプ及びそのようなループ型ヒートパイプを備えた電子機器 | |
| US20120279682A1 (en) | Heat transfer device and system | |
| US20150308750A1 (en) | Slug Pump Heat Pipe | |
| ES2699092T3 (es) | Bucle difásico de refrigeración de evaporadores de satélite | |
| RU2487063C2 (ru) | Система терморегулирования приборного отсека посадочного лунного модуля | |
| Suman | Microgrooved heat pipe | |
| Bugby et al. | Multi-evaporator hybrid loop heat pipe for small spacecraft thermal management | |
| Bugby et al. | Development and testing of a miniaturized multi‐evaporator hybrid loop heat pipe | |
| US10544995B2 (en) | Capillary pump assisted heat pipe | |
| CN116424579A (zh) | 用于航天器散热的两相流体回路系统 | |
| Van Oost et al. | Secondary wick operation principle and performance mapping in LHP and FLHP evaporators | |
| US20180220554A1 (en) | Self-priming thermosyphon |