ES2881339T3 - Dispositivo de control electrohidrodinámico - Google Patents

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Abstract

Un dispositivo fluídico (1), que comprende un pasaje cerrado (200) adaptado para transportar un líquido dieléctrico circulante; y una unidad de flujo (100) dispuesta en el pasaje cerrado y que comprende: un primer electrodo (110); y un segundo electrodo (120) desplazado del primer electrodo en una dirección aguas abajo de un flujo del líquido dieléctrico circulante, siendo el primer electrodo y el segundo electrodo conectables a una fuente de voltaje; en el que el primer electrodo está formado como una estructura de rejilla y dispuesto para permitir que el líquido dieléctrico circulante fluya a través del primer electrodo; y en el que al menos una porción del pasaje cerrado está adaptada para proporcionar una conexión térmica para permitir la transferencia de calor entre el líquido dieléctrico circulante y un entorno del dispositivo fluídico, caracterizado porque el pasaje cerrado (200) define un circuito cerrado en el que circula el líquido dieléctrico circulante.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo de control electrohidrodinámico
Campo de la invención
La invención divulgada en la presente memoria se refiere a dispositivos para hacer circular fluidos. De manera más precisa, se refiere a un sistema de circuito cerrado en el que el flujo de un fluido en circulación, como por ejemplo un líquido de gestión térmica, puede regularse por medio de una unidad de flujo.
Antecedentes de la invención
El rendimiento de los sistemas electrónicos está limitado en gran medida por las técnicas de gestión térmica disponibles para mantener la electrónica dentro de un rango de temperatura apropiado. Los dispositivos electrónicos más pequeños que tienen un rendimiento mejorado están asociados con una mayor disipación de calor en un área relativamente pequeña. En otras palabras, existe una creciente necesidad de una gestión térmica eficiente del espacio y la energía de los dispositivos electrónicos.
Por ejemplo, los satélites, como los satélites de telecomunicaciones, se están acercando a los límites tecnológicos de los existentes sistemas de gestión térmica a bordo. La disipación de potencia de estos satélites aumenta para satisfacer las crecientes necesidades de difusión, servicios de multimedia de banda ancha y de comunicaciones móviles. Es probable que los satélites micro, nano o 'cúbicos', que requieren una eliminación de calor de baja masa de los componentes electrónicos (satélite en el chip) necesiten sistemas de gestión térmica más compactos para mantener un alto rendimiento.
Estos problemas se han abordado utilizando sistemas de enfriamiento activo que utilizan flujos forzados de fluidos para mejorar la eficiencia de enfriamiento. Un ejemplo de tales sistemas de enfriamiento activo incluye bombas electrohidrodinámicas (EHD) en las que las partículas o moléculas ionizadas interactúan con un campo eléctrico y arrastran un flujo de un medio de gestión térmica.
Aunque tales bombas EHD pueden emplearse en diversas aplicaciones de gestión térmica, todavía existe la necesidad de un dispositivo y procedimiento mejorados para controlar el flujo de un fluido y para proporcionar una gestión térmica mejorada. Una bomba EHD se conoce a partir del documento WO2015/084238.
Sumario
Es un objeto de al menos algunas de las realizaciones de la presente invención proporcionar un dispositivo que permita un control mejorado del flujo de un fluido de gestión térmica. Es un objeto particular mejorar el control de un fluido circulante en un dispositivo fluídico.
Por consiguiente, la presente invención proporciona un dispositivo y un procedimiento en tal dispositivo con las características de las reivindicaciones independientes. Las reivindicaciones dependientes definen realizaciones ventajosas.
En un primer aspecto, se proporciona un dispositivo fluídico. El dispositivo fluídico comprende un pasaje cerrado que está adaptado para transportar un fluido en circulación. El pasaje cerrado puede definir, por ejemplo, un circuito cerrado en el que puede circular el fluido. Además, se coloca una unidad de flujo en el pasaje cerrado. La unidad de flujo comprende un primer electrodo y un segundo electrodo, en el que el segundo electrodo está desplazado del primer electrodo en dirección aguas abajo de un flujo del fluido en circulación. El primer electrodo y el segundo electrodo se pueden conectar a una fuente de voltaje. De acuerdo con el presente aspecto, el primer electrodo se forma como una estructura de rejilla que permite que el fluido en circulación fluya a través del primer electrodo. En un segundo aspecto, se proporciona un procedimiento en un dispositivo fluídico de acuerdo con el primer aspecto. El procedimiento comprende las etapas de activar la unidad de flujo para inducir un flujo del fluido en el dispositivo fluídico y desactivar el dispositivo fluídico para impedir el flujo del fluido en el dispositivo fluídico.
La presente invención es ventajosa ya que el dispositivo fluídico puede usarse para controlar o regular el flujo del fluido que circula en el pasaje cerrado. En otras palabras, la unidad de flujo puede actuar u operar como una válvula abriendo, reduciendo o incluso cerrando el pasaje.
Activando la unidad de flujo, es decir, aplicando una diferencia de voltaje entre los electrodos de la unidad de flujo, se puede lograr que el fluido fluya o circule en el pasaje cerrado para proporcionar una ruta que tenga un flujo de calor relativamente alto (o baja resistencia térmica) entre dos puntos o porciones del dispositivo fluídico, y en particular el pasaje cerrado. El fluido en circulación se puede utilizar para el transporte de calor con fines de calefacción o refrigeración. El calor puede, por ejemplo, transportarse lejos de una aplicación generadora de calor tal como, por ejemplo, un circuito o dispositivo electrónico, y disiparse al entorno o transferirse a un disipador de calor en contacto térmico con el pasaje cerrado. Por ejemplo, en un satélite, los ejemplos de disipadores de calor pueden incluir un radiador, un tubo de calor o cualquier tipo de estructura mecánica.
Desactivando o apagando la unidad de flujo, el dispositivo fluídico puede ponerse en un modo operativo en el que el flujo a través de la unidad de flujo puede reducirse o eliminarse. Esto se puede lograr, por ejemplo, reduciendo o eliminando la diferencia de voltaje entre los electrodos, o aplicando una diferencia de voltaje que contrarreste un flujo a través de la unidad de flujo. Al reducir o eliminar el flujo a través de la unidad de flujo, la circulación del fluido en el pasaje o circuito cerrado puede reducirse o incluso detenerse. Esto puede proporcionar un camino que tenga un flujo de calor relativamente bajo (o alta resistencia térmica) entre dos puntos del dispositivo fluídico y, en particular, el pasaje cerrado. Esto es de particular interés, por ejemplo, en aplicaciones espaciales en las que el sistema de refrigeración puede apagarse cuando partes del sistema, como las partes disipadoras de calor o el disipador de calor, miran, por ejemplo, al sol o al espacio frío. Al reducir o detener la circulación del fluido, se puede evitar que el calor que ingresa al sistema desde los alrededores llegue a las partes del sistema que necesitan ser gestionadas térmicamente o protegidas del sobrecalentamiento o de enfriarse.
Por tanto, la presente invención proporciona un sistema cerrado que puede utilizarse, por ejemplo, en aplicaciones de gestión térmica que requieren una gestión térmica mejorada. El dispositivo fluídico puede ser de particular interés, por ejemplo, en aplicaciones espaciales, en las que las duras condiciones ambientales y las posibilidades limitadas o inexistentes de servicio y mantenimiento requieren soluciones eficientes y fiables, así como soluciones que puedan regular las capacidades de transporte de calor del sistema de gestión térmica.
Por 'rejilla' se entiende cualquier estructura que comprenda puentes que se unan entre sí de manera que, por ejemplo, tenga una estructura de rejilla, red o panal, etc. Los puentes y las uniones definen áreas abiertas de la rejilla que admiten un flujo de fluido.
Por el término 'dirección del flujo' debe entenderse la dirección principal del flujo neto resultante de fluido gaseoso que pasa a través del dispositivo durante el funcionamiento. El término también puede denominarse 'dirección de flujo prevista'.
Por 'pasaje' debe entenderse cualquier conducto, recipiente, cámara o canal adecuado para transportar un flujo de un fluido. El fluido puede, por ejemplo, circular en un pasaje que forma un circuito cerrado y/o en una cámara que permite que el fluido circule dentro de dicha cámara.
Los ejemplos de fluidos, es decir, líquidos y gases, que pueden bombearse mediante las realizaciones de la invención incluyen, por ejemplo, dieléctricos como acetona, alcoholes, helio, nitrógeno y fluidos basados en fluorocarbonos como, por ejemplo, Fluorinert™ o Novec™.
El primer electrodo también puede denominarse "emisor" o "electrodo emisor", mientras que el segundo electrodo puede denominarse "colector" o "electrodo colector". Durante el uso, el emisor puede adaptarse para emitir electrones en el fluido y/o cargar negativamente materia, como partículas o impurezas del fluido, en una proximidad cercana del emisor.
El primer y/o segundo electrodos pueden comprender ventajosamente un material que tiene una capacidad relativamente buena de emitir electrones y es químicamente estable, o inerte, en relación con el fluido bombeado. Además, el material puede tener una resistencia a la temperatura relativamente alta. Los ejemplos de tales materiales pueden incluir, por ejemplo, Pt, Au y acero inoxidable.
De acuerdo con una realización, el primer electrodo puede comprender puentes y uniones que forman la estructura de rejilla. Además, al menos una porción de al menos uno de los puentes puede tener una altura máxima en una dirección paralela a la dirección del flujo y un calibre máximo en una dirección ortogonal a la dirección del flujo, en el que la altura máxima puede ser mayor que dicho calibre máximo.
Al formar una rejilla de puentes que tienen una altura relativamente grande en relación con su ancho, la rejilla puede ser relativamente rígida en términos de su capacidad para portar cargas en la dirección de la altura de los puentes, o la dirección del flujo. De esta manera, se proporciona un electrodo relativamente rígido, que es menos propenso a doblarse o deformarse, especialmente en la dirección del flujo, y por lo tanto se puede reducir el riesgo de, por ejemplo, cortocircuito del dispositivo. Además, la rejilla relativamente rígida y estable aún puede tener un área abierta relativamente grande que puede proporcionar una resistencia al flujo relativamente baja que se topa con el fluido que pasa a través de la rejilla. Además, los puentes relativamente altos y estrechos pueden reducir la cantidad de material requerido para formar una rejilla relativamente estable y rígida, lo que puede reducir tanto el peso como el costo del dispositivo. Utilizando una rejilla relativamente rígida, se puede reducir la necesidad de estructuras de soporte adicionales y se puede lograr un espaciado constante y relativamente bien definido entre el primer y segundo electrodos. El espaciado puede, por ejemplo, estar dentro del rango de 10-2.000 pm, y con mayor preferencia en el rango de 50-1.000 pm.
Con su altura relativamente grande, los puentes también proporcionan una superficie de contacto relativamente grande entre la estructura de rejilla y el fluido que pasa, lo que puede facilitar cualquier interacción entre el electrodo y el fluido, como por ejemplo, difusión de material y/o inyección de iones o electrones.
La distancia, o espacio, entre el primer y el segundo electrodo puede variarse para controlar la fuerza del campo eléctrico que se induce entre los electrodos. Los experimentos han demostrado que una separación más pequeña y, por lo tanto, un campo eléctrico inducido más fuerte, puede permitir una mayor eficiencia de la bomba, o caudal, en comparación con dispositivos que tienen una separación mayor y reciben la misma potencia eléctrica.
De acuerdo con algunas realizaciones, la unidad de flujo puede estar dispuesta para cubrir al menos parte de una sección transversal del pasaje cerrado. Preferentemente, la unidad de flujo puede estar dispuesta para cubrir una sección transversal completa del pasaje cerrado. Una unidad de flujo que no cubra toda la sección transversal del pasaje puede permitir un flujo de fuga, es decir, un flujo de fluido que pasa por el lado de la unidad de flujo en lugar de a través de ella. En consecuencia, una unidad de flujo que cubra toda la sección transversal del pasaje puede evitar tal flujo de fuga. Además, una mayor cobertura de la unidad de flujo puede conducir a un dispositivo fluídico que tenga una mayor eficacia de bombeo y/o bloqueo.
Alternativamente, o adicionalmente, la unidad de flujo puede estar dispuesta en una cámara (preferentemente única) de manera que se logre un flujo de circulación dentro de la cámara. La unidad de flujo puede, por ejemplo, disponerse adyacente a una porción de pared de la cámara y orientarse de manera que el fluido que pasa a través de la unidad de flujo pueda inducir una circulación del fluido en la cámara.
De acuerdo con una realización, el dispositivo fluídico puede comprender una matriz de unidades de flujo dispuestas para tener una extensión lateral en un plano lateral común, en el que un lado aguas abajo de una primera de las unidades de flujo puede estar en comunicación de fluido con un lado aguas arriba de una segunda de las unidades de flujo para permitir que el fluido en circulación pase a través de dicha primera y segunda de las unidades de flujo.
Al disponer las unidades de flujo en una matriz que se extiende en un plano lateral, se puede lograr una unidad de flujo relativamente plana y/o delgada que puede ser ventajosa sobre las unidades de flujo que comprenden varias etapas apiladas. La disposición de una pluralidad de unidades de flujo una al lado de la otra en lugar de una encima de la otra en una pila permite reducir la altura total, permitiendo de esta manera que una unidad o matriz de flujo se puede usar en aplicaciones en las que el espacio es limitado. Además, una bomba más delgada y/o más plana puede tener una relación superficie-volumen mayor, lo que puede facilitar el enfriamiento o la disipación a través de una superficie exterior de la matriz.
La conexión de un lado aguas abajo de una primera unidad de flujo con un lado aguas arriba de una segunda unidad de flujo o vecina permite que el fluido se bombee o acelere en varias etapas, lo que puede aumentar, por ejemplo, la eficiencia de bombeo, la velocidad del flujo y el caudal volumétrico de la matriz. Esta disposición puede ser similar a una matriz de unidades de flujo conectadas en serie o en cascada para mejorar, controlar o manipular un flujo del fluido. La presión, el flujo volumétrico o la velocidad del flujo de fluido pueden aumentarse en cada una de las unidades de flujo de la matriz, o al menos en algunas de ellas.
Las unidades de flujo de la matriz se pueden orientar en la misma dirección, es decir, de manera que el lado aguas abajo de cada unidad de flujo, respectivamente, mire en la misma dirección. En otras palabras, las unidades de flujo pueden disponerse en par, de tal manera tal que la dirección del flujo de fluido sea paralela para cada unidad de flujo. Tal orientación puede facilitar la fabricación y el ensamblaje de la matriz. Disponer todas las unidades de flujo en una misma orientación, por ejemplo, con el lado de aguas arriba orientado hacia una primera dirección y el lado de aguas abajo orientado hacia una segunda dirección, posiblemente opuesta, también puede también facilitar la conexión eléctrica de las unidades de flujo. En un ejemplo, esto permite que todos los primeros electrodos se conecten eléctricamente en un primer lado de la matriz y/o que los segundos electrodos se conecten eléctricamente en un segundo lado de la matriz.
Alternativamente, la matriz puede comprender al menos una unidad de flujo que apunta, o está orientada, en una dirección opuesta en comparación con las otras unidades de flujo de la matriz. Esto puede facilitar o simplificar la comunicación de fluido entre dos unidades de flujo dispuestas en oposición ya que el flujo de fluido puede salir de la primera de las unidades de flujo y entrar en la segunda de las unidades de flujo en el mismo lado de la matriz. Cambiar o alternar la orientación de una o varias de las unidades de fluido puede reducir aún más el tamaño de la matriz, permitiendo de esta manera una matriz más pequeña pero relativamente eficiente.
De acuerdo con una realización, al menos una porción del pasaje cerrado puede adaptarse para conectarse térmicamente a un medio de transferencia de calor para permitir la transferencia de calor entre el fluido en circulación y un entorno del dispositivo fluídico.
De acuerdo con algunas realizaciones, el pasaje cerrado puede adaptarse para conectarse térmicamente y/o en conexión de fluido con un intercambiador de calor. El intercambiador de calor puede ser, por ejemplo, un disipador de calor o una placa fría, o una fuente de calor o una placa caliente.
De acuerdo con una realización, el pasaje cerrado puede estar formado por una primera cámara en comunicación de fluido con una segunda cámara. Además, la unidad de flujo puede estar dispuesta en una de la primera cámara y la segunda cámara.
De acuerdo con una realización, al menos una porción del pasaje cerrado puede formarse como un tubo.
De acuerdo con una realización, el segundo electrodo puede formarse como una estructura de rejilla que permite que el fluido fluya a través del segundo electrodo. Al menos uno de los puentes puede comprender una porción que tiene una altura máxima en una dirección paralela a la dirección del flujo y un calibre máximo en una dirección ortogonal a la dirección del flujo, en la que la altura máxima puede ser mayor que el calibre máximo, preferentemente al menos dos veces el calibre máximo. La presente realización está asociada con ventajas y efectos similares a los descritos con referencia a la estructura de la rejilla del primer electrodo.
Alternativamente, o adicionalmente, el primer y/o segundo electrodo pueden formarse como, o comprender, una varilla que tiene una altura o longitud correspondiente a la altura y anchura máxima, o espesor, correspondiente a la anchura máxima. La varilla puede, por ejemplo, estar formada como un cilindro, pilar o aguja, y puede ser hueca, maciza o porosa. En un ejemplo, la varilla puede adaptarse para dejar pasar un flujo de fluido gaseoso a través de su interior. Además, la varilla puede tener una porción de extremo cónica o puntiaguda, preferentemente en una dirección del flujo de fluido. En un ejemplo adicional, el primer y/o segundo electrodo puede estar formado o comprender una pluralidad de varillas, que, por ejemplo, pueden estar dispuestas de tal manera que tengan una extensión de longitud esencialmente paralela al flujo de fluido, y/o dispuesta en una matriz de dos o tres dimensiones. El uso de una pluralidad de varillas y, por tanto, una pluralidad de puntos emisores, es ventajoso porque puede incrementar la redundancia del emisor.
De acuerdo con una realización, al menos uno del primer electrodo y el segundo electrodo puede comprender una estructura de suspensión. Ventajosamente, la estructura de suspensión puede estar dispuesta para absorber deformaciones inducidas térmicamente en el primer electrodo o en el segundo electrodo, respectivamente. Por tanto, la estructura de suspensión puede usarse para mitigar o compensar las tensiones inducidas térmicamente, particularmente en un plano ortogonal a la dirección del flujo de fluido y/o en una dirección longitudinal principal de al menos una porción del primer o segundo electrodos. La estructura de deformación puede, por ejemplo, estar formada por un puente que se curva en el plano ortogonal a la dirección del flujo. Dado que el puente está expuesto a tensiones o pares de torsión en el plano ortogonal a su altura (es decir, la dirección del flujo), el puente, debido a su altura relativamente grande y a su pequeño calibre, puede tender a deformarse en ese plano en lugar de en la dirección del flujo o la altura. Alternativamente, la estructura de suspensión puede adaptarse para aplicar una tensión de tracción al electrodo de manera que pueda mantener su forma en una dirección longitudinal principal durante la expansión térmica. La estructura de deformación (o suspensión) permite ventajosamente que un dispositivo sea menos sensible a las tensiones inducidas térmicamente y a la expansión térmica. De esta manera, se puede lograr un dispositivo que tenga dimensiones relativamente bien definidas y una forma relativamente fiable. Además, la estructura de deformación puede permitir que se combinen materiales que tienen diferentes coeficientes de expansión térmica (CTE). Como ejemplo, el primer y/o el segundo electrodos pueden estar formados de un material que tenga un primer CTE mientras que la estructura de soporte, a la que se pueden unir el primer y/o el segundo electrodos, puede tener otro CTE. En tal caso, se puede proporcionar una estructura de deformación en los electrodos y/o la estructura de soporte para permitir que cualquier tensión térmica interna que pueda ser causada por la diferencia en CTE sea absorbida por la estructura de deformación que se deforma en el plano ortogonal a la dirección del flujo del fluido. Por tanto, la estructura de deformación puede permitir un dispositivo más fiable que tenga una vida útil prolongada.
Se apreciará que el primer electrodo y/o el segundo electrodo y/o la estructura de soporte pueden estar formados por un material que se deposita selectivamente para formar la estructura deseada. El material puede comprender, por ejemplo, una estructura apilada de uno o varios metales. El procedimiento de depósito puede comprender, por ejemplo, moldeado, enchapado, serigrafía, vidriado, pulverización catódica, evaporación o sinterización. Alternativa o adicionalmente, la fabricación puede comprender la eliminación de material, por ejemplo, eliminando selectivamente material de un sustrato. Los ejemplos de técnicas adecuadas pueden incluir corte, fresado, grabado y limpieza abrasiva.
El primer y/o segundo electrodos pueden comprender ventajosamente un material que tiene una capacidad relativamente buena de emitir electrones y es químicamente estable, o inerte, en relación con el fluido bombeado. Además, el material puede tener una resistencia a la temperatura relativamente alta. Los ejemplos de tales materiales pueden incluir, por ejemplo, Pt, Au, Ni, W, Zr y acero inoxidable.
En la presente memoria descriptiva, el término 'unidad de flujo' o 'bomba' o 'unidad de bomba' se utiliza indistintamente.
Como se ha indicado anteriormente, el procedimiento en el dispositivo fluídico puede realizarse como instrucciones ejecutables por ordenador distribuidas y usadas en forma de un producto de programa informático que incluye un medio legible por ordenador que almacena tales instrucciones. A manera de ejemplo, los medios legibles por ordenador pueden comprender medios de almacenamiento informáticos y medios de comunicación. Como es bien conocido por un experto en la técnica, los medios de almacenamiento informáticos incluyen medios tanto volátiles como no volátiles, extraíbles y no extraíbles implementados en cualquier procedimiento o tecnología para el almacenamiento de información, tal como instrucciones legibles por ordenador, estructuras de datos, módulos de programa u otros datos. Los medios de almacenamiento informáticos (o medios no transitorios) incluyen, pero no se limitan a, RAM, ROM, EEPROM, memoria flash u otra tecnología de memoria, CD-ROM, discos versátiles digitales (DVD) u otro almacenamiento de disco óptico, casetes magnéticos, cinta magnética, almacenamiento en disco magnético u otros dispositivos de almacenamiento magnético. Además, el experto en la técnica sabe que los medios de comunicación (o medios transitorios) incorporan típicamente instrucciones legibles por ordenador, estructuras de datos, módulos de programa u otros datos en una señal de datos modulada, tal como una onda portadora u otro mecanismo de transporte e incluyen cualquier medio de entrega de información.
Otros objetivos, características y ventajas de la presentes invención resultarán evidentes al estudiar la siguiente divulgación detallada, las figuras y las reivindicaciones adjuntas. Los expertos en la técnica se darán cuenta de que diferentes características de la presente invención, incluso si se mencionan en diferentes reivindicaciones, pueden combinarse en realizaciones distintas a las descritas a continuación.
Breve descripción de los dibujos
Lo anterior, así como también los objetos, características y ventajas adicionales de la presente invención, se entenderán mejor a través de la siguiente descripción detallada ilustrativa y no limitativa de las realizaciones de la presente invención. Se hará referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 ilustra esquemáticamente un dispositivo fluídico que comprende un pasaje cerrado y una unidad de flujo de acuerdo con una realización de la invención;
Las Figuras 2a y b son secciones transversales esquemáticas de un dispositivo fluídico de acuerdo con algunas realizaciones;
La Figura 3 es un diagrama esquemático de un dispositivo fluídico de acuerdo con una realización, en el que el pasaje cerrado está conectado térmicamente a intercambiadores de calor;
La Figura 4 es una vista esquemática en perspectiva de un primer y segundo electrodo de una unidad de flujo de acuerdo con una realización;
Las Figuras 5a-d muestran porciones en sección transversal del primer y segundo electrodo de una unidad de flujo de acuerdo con una realización;
Las Figuras 6a y b son vistas esquemáticas de una matriz de unidades de flujo de acuerdo con realizaciones de la invención;
Las Figuras 7a y b son vistas desde arriba de un electrodo de una unidad de flujo provista de una estructura de deformación de acuerdo con realizaciones de la invención; y
La Figura 8 es una sección transversal de una unidad de flujo de acuerdo con una realización, que comprende una pila de una pluralidad de electrodos.
Todas las figuras son esquemáticas, generalmente no a escala, y generalmente solo muestran partes que son necesarias para aclarar la invención, mientras que otras partes pueden omitirse o simplemente sugerirse.
Descripción detallada de las realizaciones
La Figura 1 muestra un dispositivo fluídico 1 que comprende un pasaje cerrado 200, por ejemplo, formando un circuito, y una unidad de flujo 100. El pasaje cerrado 200 está formado como un tubo o canal en el que el extremo está conectado al principio para permitir un flujo continuo y repetido de un fluido en circulación en un sistema de circuito cerrado. La unidad de flujo 100 puede estar dispuesta para cubrir una sección transversal completa del pasaje cerrado 200, como se indica en la Figura 1, o para cubrir solo una parte de la sección transversal para permitir que el fluido pase por el lado de la unidad de flujo 100. Al disponer la unidad de flujo 100 para cubrir toda la sección transversal del pasaje 200, todo el fluido tiene que pasar a través de la unidad de flujo 100 para poder circular. Esto permite un mejor control del flujo.
El dispositivo fluídico 1 puede funcionar en al menos dos estados diferentes: un estado activado y un estado desactivado o apagado. En el estado activado, la unidad de flujo 100 puede funcionar por medio de una diferencia de potencial que induce un flujo a través de la unidad de flujo 100 y, por lo tanto, un flujo circulante en el pasaje cerrado 100. En el estado apagado, el flujo 100 se puede operar con una diferencia de potencial cero, o con una diferencia de potencial que resulte en un flujo neto reducido o nulo de fluido a través de la unidad de flujo 100, para impedir o incluso detener la circulación del fluido en el pasaje cerrado. Por tanto, la unidad de flujo 100 puede funcionar como una válvula de control que regula el flujo en el pasaje cerrado.
Las Figuras 2a y b muestran un dispositivo fluídico 1 de acuerdo con realizaciones que pueden configurarse de manera similar a la realización descrita en relación con la Figura 1. De acuerdo con la variante no reivindicada representada en la Figura 2a, el pasaje cerrado puede definirse por una primera cámara 210 y una segunda cámara 220 que están separadas por una pared divisoria 215 o tabique. La pared divisoria 215 puede comprender separaciones o pasajes locales que conectan la primera cámara 210 y la segunda cámara 220 entre sí, definiendo de esta manera un circuito cerrado en el que puede circular el fluido. El fluido puede circular a través de la primera cámara 210, entrar en la segunda cámara 220 a través de uno de las separaciones de la pared divisoria 215, pasar a través de la segunda cámara 220 y entrar en la primera cámara a través de la segunda separación de la pared 220 (el fluido circulante se indica mediante flechas en la Figura 2a).
Al menos una de las cámaras, como por ejemplo la primera cámara 210, puede comprender una unidad de flujo 100 como se describió anteriormente. La unidad de flujo 100 puede configurarse para inducir un flujo en el fluido cuando se opera en el estado activado y para impedir o reducir un flujo en el fluido cuando se opera en un estado desactivado o con una diferencia de voltaje reducida en comparación con el estado activado. Por tanto, la unidad de flujo 100 puede usarse para afectar o controlar la circulación del fluido entre la primera cámara 210 y la segunda cámara 220.
Alternativa o adicionalmente, el pasaje cerrado 200 puede formar una sola cámara como se muestra en la Figura 2b. En tal caso, el flujo puede circular dentro de la cámara definida por el pasaje cerrado, como lo indican las flechas. La unidad de flujo 100 puede estar dispuesta para inducir el flujo, preferentemente en una posición relativamente cercana o adyacente a una porción de pared de la cámara. Desde tal posición, la unidad de flujo 100 puede inducir un movimiento o flujo del fluido en una dirección a lo largo de la porción de pared, haciendo que el fluido circule como corresponde.
La Figura 3 es una representación esquemática de un sistema o dispositivo fluídico de acuerdo con una realización que puede configurarse de manera similar a cualquiera de las realizaciones descritas anteriormente. En la Figura 3, el pasaje cerrado está representado por la línea 200 y la unidad de flujo por la caja 100. El pasaje cerrado puede conectarse a uno o varios intercambiadores de calor C, H que permite que se añada o elimine calor del fluido. La conexión puede ser, por ejemplo, térmica y/o fluídica, y los medios de transferencia de calor C, H pueden comprender, por ejemplo, un disipador de calor C y/o una fuente de calor H.
La Figura 4 muestra un ejemplo de una unidad de flujo 100 de un dispositivo fluídico de acuerdo con realizaciones similares a las realizaciones de las Figuras 1 a 3. La unidad de flujo 100 puede comprender un primer electrodo, o emisor 110, que comprende puentes 111 y uniones 112 que forman una rejilla que permite que un fluido fluya a través del emisor 110. El emisor 110 puede tener una extensión lateral en un plano perpendicular a la dirección de flujo prevista, que se indica mediante una flecha en la Figura 4. De acuerdo con esta realización, el segundo electrodo, o colector 120, comprende puentes 121 y uniones 122 que están dispuestas en una rejilla similar a la descrita con referencia al emisor 110. Por consiguiente, el colector 120 puede tener una extensión lateral en un plano perpendicular a la dirección del flujo de manera que tanto el emisor 110 como el colector 120 sean paralelos entre sí. Aunque no se ilustra en la Figura 4, se apreciará que el segundo electrodo 120 puede proporcionarse en otras formas y configuraciones distintas de una rejilla. El segundo electrodo 120 puede, por ejemplo, estar formado como, o comprender uno o varios cables (que pueden tener una dirección principal de extensión en un plano esencialmente paralelo al primer electrodo 110) o pilares, agujas, cilindros o varillas que pueden orientarse, por ejemplo, a lo largo de la dirección del flujo.
Como se indica en la presente figura, el emisor 110 y el colector 120 pueden disponerse separados entre sí en la dirección del flujo por una distancia positiva d. El espaciado puede, por ejemplo, mantenerse mediante una disposición de soporte, o un espaciador de rejilla 130 (no mostrado en la Figura 4) que está dispuesto entre el emisor 110 y el colector 120. Puede preferirse una separación d relativamente estrecha, ya que dicha separación puede proporcionar un campo eléctrico relativamente alto y, por tanto, mejorar el efecto electrohidrodinámico que afecta al caudal. El uso de un espaciador de rejilla 130, que puede tener un grosor bien definido, puede reducir ventajosamente el riesgo de un acceso directo o avería entre el emisor 110 y el colector 120. Como se abordará con más detalle a continuación, el espaciador de rejilla 130 puede tener, por ejemplo, una configuración similar a la del emisor 110 y/o el colector 120, es decir, que comprende una rejilla de puentes 111, 121 y juntas 112, 122. Sin embargo, el espaciador de rejilla 130 también puede tener otras configuraciones, tales como, por ejemplo, estar formado como un marco que soporta los bordes laterales del emisor 110 y/o colector 120.
También se observará que la rejilla puede tener una entre una amplia variedad de formas, en las que los bordes y las uniones, por ejemplo, pueden formar una rejilla, una red, un patrón de agujeros, una estructura de panal u otras estructuras o patrones adecuados para admitir un fluir a través del emisor 110 y/o colector 120.
Las Figuras 5a-d muestran secciones transversales de una porción del emisor 110 y el colector 120 de una unidad de flujo configurada de manera similar a las unidades de flujo descritas con referencia a cualquiera de las figuras anteriores. La sección transversal se toma a través de tres pares de puentes 111, 121 y a lo largo de un plano paralelo a la dirección del flujo. De acuerdo con esta realización, los puentes 111 del emisor 110 están dispuestos a una distancia constante d de los puentes 121 del colector 120, en los que los puentes 111 del emisor tienen una altura máxima tu en la dirección del flujo y un calibre máximo w1 en una dirección ortogonal a la dirección del flujo. La altura máxima h1 es mayor que el calibre máximo W1 para permitir una estructura de rejilla relativamente estable y rígida que pueda soportar una carga relativamente grande en la dirección del flujo sin riesgo de deformarse o colapsar, y aún tener un área abierta relativamente grande que permita el flujo del fluido. De acuerdo con esta realización, el colector 120 puede estar formado por una rejilla que tenga una relación similar entre la altura máxima h2 y el calibre máximo w2 de los puentes 121. La relación entre la altura máxima h-i, h2 y el calibre máximo w-i, w2 puede ser, por ejemplo, mayor que 1, y con mayor preferencia, mayor que 2.
La sección transversal de los puentes 111 del emisor 110 puede comprender una porción de aguas abajo 113 que tiene una forma cónica que forma un borde o un punto 114 que orientado hacia el colector 120. La forma cónica puede manifestarse, por ejemplo, como un borde o un extremo estrecho 114 que se extiende a lo largo de la porción aguas abajo 113 del puente 111, o una o varias protuberancias que tienen una forma que se ajusta, por ejemplo, a una punta, aguja, pirámide, cúpula, etc. A medida que el emisor 110 se somete a una diferencia de potencial eléctrico, puede haber una concentración de campo eléctrico en el borde 114 de la porción cónica 113 que puede facilitar o promover la emisión de electrones.
De manera correspondiente, la porción de los puentes 121 del colector 120 orientados hacia el emisor 110 puede estar provista de una forma o estructura de superficie destinada para mejorar la recolección de los electrones emitidos. Los puentes 121 y/o uniones 122 del colector 120 pueden, por ejemplo, estar provistos de una porción de superficie cóncava 123 que aumenta el área de superficie y/o una superficie estructurada que comprende protuberancias microscópicas y/o rebajes 124 que aumentan el área de superficie activa. Las estructuras 124 pueden formarse, por ejemplo, mediante moldeo, galvanoplastia, tratamiento superficial o añadiendo y/o eliminando selectivamente material mediante, por ejemplo, granallado, grabado, fresado, triturado, etc.
La Figura 5a muestra un ejemplo de realización en el que el emisor 110 y el colector 120 están formados por pasta de Pt serigrafiada que ha sido sinterizada a aproximadamente 800 °C para formar una rejilla de puentes que tienen una altura máxima h-i, h2 de aproximadamente 100-200 pm y un calibre máximo w-i, W2 de aproximadamente 50 pm. Como se muestra en la Figura 2b, el colector 120 ha sido equipado con una porción de superficie microestructurada 124, orientada al emisor 110, por medio de microvoladuras, en la que la superficie es bombardeada con partículas afiladas de tamaño micrométrico para aumentar el área de la superficie.
Las unidades de flujo 100 en las Figuras 5b-d son similares a la unidad de flujo 100 descrita con referencia a la Figura 5a. De acuerdo con la Figura 5b, el emisor 110 está provisto además de una porción 117 ascendente cónica, formando un borde 118 relativamente afilado dirigido hacia el flujo de fluido para reducir la resistencia al flujo y por lo tanto mejorar el flujo a través del emisor 110. Como se indica en las Figuras 5c y d, el colector 120 puede definir además canales 126 que se extienden a través de los puentes 121 y/o las uniones 122 (no mostradas) de la rejilla para disminuir la resistencia al flujo. Los canales 126 pueden, por ejemplo, realizarse mediante grabado, tal como, por ejemplo, grabado con iones reactivos, grabado en húmedo, etc.
La Figura 6a muestra una matriz 10, o conjunto de bomba, que comprende una pluralidad de unidades de flujo 100. Las unidades de flujo 100 pueden disponerse en una estructura de célula que comprende una parte de tapa 18 y una parte de fondo 19. En la Figura 6a, el contorno de cada célula 11 de la estructura de célula se indica mediante una línea discontinua, mientras que una célula 11 que comprende una unidad de flujo 100 se indica mediante un rayado diagonal. La matriz 10 puede comprender una primera abertura 12 para suministrar fluido a la matriz 10. La primera abertura 12 puede, por ejemplo, estar dispuesta en la parte 18 de la tapa. Además, puede disponerse una segunda abertura 11 para sacar el fluido en la parte inferior 19 (indicada por una línea discontinua). De acuerdo con la presente realización, la matriz 10 puede comprender, por ejemplo, cinco unidades de flujo 100 dispuestas en cada segunda célula 11 de la estructura de célula. Las unidades de flujo 100 pueden disponerse en una misma dirección u orientación de modo que la dirección de flujo del fluido sea esencialmente paralela para cada una de las unidades de flujo 100. Las células 11 pueden estar en comunicación de fluido con una o varias otras células 11 para permitir que un fluido fluya entre las células, preferentemente desde una célula 11 a una célula 11 vecina. Durante el funcionamiento, un fluido puede entrar en la estructura de la célula a través de la primera abertura 12 y pasar a través de una primera unidad de flujo 100 a una segunda unidad de flujo 100 a través de la célula vecina o intermedia 11, y finalmente salir de la estructura de la célula a través de la segunda abertura 14. Por tanto, la primera abertura 12 puede disponerse, durante el funcionamiento, para recibir fluido desde un lado aguas arriba del pasaje o circuito cerrado, mientras que la segunda abertura 14 puede disponerse para suministrar fluido a un lado aguas abajo del pasaje cerrado.
La Figura 6b es una vista lateral en sección transversal de una matriz 10 que está configurada de manera similar a la matriz 10 de la Figura 6a. La matriz 10 de unidades de flujo 100a, 100c, 100e está dispuesta en las células 11a, 11c, 11e definidas por una parte de tapa 18 y una parte de fondo 19 que comprende paredes de separación de celdas 17. Las celdas 11a, 11b, 11c, 11d, 11e están conectadas entre sí por medio de canales 16 adaptados para dejar pasar un flujo de fluido desde un lado aguas abajo de una unidad de flujo 100a, a través de una célula vacía 11b, a un lado aguas arriba de una unidad de flujo vecina 100c. Cada unidad de flujo 100a, 100c, 100e comprende un primer electrodo 110, como por ejemplo un emisor en forma de rejilla, y un segundo electrodo 120, como por ejemplo una placa de metal provista de un orificio pasante.
Durante el funcionamiento, puede introducirse fluido a través de una primera abertura 12 y ponerse en contacto de fluido con el primer electrodo 110 de la célula de flujo 100a dispuesta en la célula 11a. El fluido puede hacerse fluir por medio de un campo eléctrico inducido entre el primer electrodo 110 y el segundo electrodo 120, y continuar a través del canal 16 y la célula vecina vacía 11b hasta la siguiente unidad de flujo 100c. Este procedimiento se repite hasta que el fluido alcanza la segunda abertura 14, a través de la cual puede salir de la matriz 10.
Como se indica en las Figuras 6a y b, las unidades de flujo 100 pueden orientarse en la misma dirección, permitiendo que el fluido pase a través de cada unidad de flujo 100 en la misma dirección de flujo. Tal disposición de las unidades de flujo 100 puede requerir un canal 16 y, de acuerdo con el presente ejemplo, una célula vacía intermedia 11b, 11d para "invertir" el flujo que sale por el lado de aguas abajo de una primera unidad de flujo 100 antes de que pueda entrar por el lado aguas arriba de una segunda unidad de flujo 100.
La Figura 7a muestra una estructura de deformación 115 de una rejilla que actúa, por ejemplo, como un emisor 110 en una unidad de flujo 100 de acuerdo con las realizaciones de la presente invención. La rejilla comprende puentes 111 y uniones 112 de acuerdo con las realizaciones descritas anteriormente. Como se indica en la Figura 7a, la estructura de deformación 115 está compuesta por puentes 111 que están curvados en un plano normal a la dirección del flujo. La forma curvada puede, por ejemplo, formarse durante la fabricación de los puentes 111, o inducirse, por ejemplo, mediante tensiones térmicas que se producen durante el uso de la unidad de flujo 100. La forma curvada también puede comprender una porción debilitada, por ejemplo, una porción que tiene un calibre reducido, para que sea más fácil de deformar con las tensiones inducidas por el calor. A medida que el material de la rejilla puede expandirse con una temperatura creciente, los puentes 111 de la estructura de deformación 126 pueden comprimirse por fuerzas de compresión que actúan en la dirección longitudinal de los puentes 111. Por dirección longitudinal debe entenderse la dirección de extensión entre una primera unión y una segunda unión. De esta manera, la expansión lateral de la rejilla puede ser absorbida por la estructura de deformación 115 y las tensiones inducidas térmicamente pueden reducirse de modo que el emisor 110 distinto de la estructura de deformación 115 pueda mantener su forma original a pesar de la expansión térmica. Sin embargo, debe entenderse que las fuerzas que actúan sobre los puentes 111 de la estructura de deformación 115 también, o alternativamente, pueden ser causadas, por ejemplo, por un momento de torsión, o par, que actúa sobre la estructura.
La Figura 7b muestra una estructura de deformación 125 similar a la descrita con referencia a la Figura 8a, en la que la estructura de deformación 125 está formada por puentes 121 de un colector 120 de una unidad de flujo 100 de acuerdo con una realización. Sin embargo, se entenderá que la unidad de flujo 100 puede estar provista de estructuras de deformación 115, 125 dispuestas en una cualquiera o varias del emisor 110, el colector 120 y la estructura de soporte 130.
La estructura de deformación 115, 125 se puede proporcionar en un emisor 110 y/o colector 120 que está unido a una estructura de soporte 130, en la que la estructura de soporte 130 puede tener un coeficiente de expansión térmica (CTE) que difiere de los CTE del emisor 110 y/o colector 120. En caso de que el emisor 110 y/o el colector 120 está o estén rígidamente unidos a la estructura de soporte 130, el riesgo de deformaciones, como por ejemplo flexiones y flexuras, y daños como fracturas, uniones desconectadas o aflojadas, etc. puede reducirse mediante la estructura de deformación 115, 125. De esta manera, se puede aumentar la fiabilidad y la vida útil de la unidad de flujo 100.
La Figura 8 muestra una sección transversal de la unidad de flujo 200 que comprende una estructura apilada de tres primeros electrodos 110 y tres segundos electrodos 210 de acuerdo con cualquiera de las realizaciones descritas anteriormente. La sección transversal se toma a lo largo de la dirección del flujo (indicada por una flecha en la Figura 8) y a través de un puente respectivo 111, 121 de las rejillas de los electrodos 110, 120. Se dispone un espaciador de rejilla 130 para separar los electrodos del emisor 110 y del colector 120 entre sí en la dirección del flujo. De acuerdo con esta realización, los emisores 110 y los colectores 120 pueden comprender, por ejemplo, Pt, Au o acero inoxidable formando, por ejemplo, el material a granel o un revestimiento de superficie.
El espaciador de rejilla 130 se puede formar, por ejemplo, como una rejilla que soporta los emisores 110 y los colectores 120. Como se ilustra en la Figura 8, el espaciador de rejilla 130 puede comprender un marco periférico de puentes al que se unen las porciones del borde del emisor 110 y el colector 120 mediante, por ejemplo, soldadura con soplete, soldadura blanda o encolado. Alternativa o adicionalmente, el espaciador de rejilla 130 puede comprender otras estructuras espaciadoras tales como pilares o espaciadores, etc. El espaciador de rejilla 130 también puede comprender uno o varios elementos espaciadores, tales como, por ejemplo, puentes o pilares adicionales, que soportan las porciones centrales del emisor y el colector. El espaciador de rejilla 130 también puede comprender una estructura de deformación 115, 125 (no mostrada) similar a la estructura de deformación descrita con referencia a las Figuras 8a y b.
El espaciamiento d del emisor y el colector puede ser determinado por la altura de los puentes del espaciador de rejilla 130, que por lo tanto puede determinar la magnitud del campo eléctrico inducido entre el emisor 110 y el colector 120. La distancia d entre el emisor 110 y el colector 120 puede estar, por ejemplo, dentro del rango de 10 |jm y 1.000 |jm.
Además, el espaciador de rejilla 130 puede comprender una estructura de alineación para facilitar la alineación de los emisores 110 y los colectores 120, y/o la alineación de las unidades de flujo 100 en la matriz.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo fluídico (1), que comprende
un pasaje cerrado (200) adaptado para transportar un líquido dieléctrico circulante; y
una unidad de flujo (100) dispuesta en el pasaje cerrado y que comprende:
un primer electrodo (110); y
un segundo electrodo (120) desplazado del primer electrodo en una dirección aguas abajo de un flujo del líquido dieléctrico circulante, siendo el primer electrodo y el segundo electrodo conectables a una fuente de voltaje;
en el que el primer electrodo está formado como una estructura de rejilla y dispuesto para permitir que el líquido dieléctrico circulante fluya a través del primer electrodo; y
en el que al menos una porción del pasaje cerrado está adaptada para proporcionar una conexión térmica para permitir la transferencia de calor entre el líquido dieléctrico circulante y un entorno del dispositivo fluídico, caracterizado porque el pasaje cerrado (200) define un circuito cerrado en el que circula el líquido dieléctrico circulante.
2. El dispositivo fluídico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que:
el primer electrodo comprende puentes (111) y uniones (112) que forman la estructura de rejilla;
al menos una porción de al menos uno de los puentes tiene una altura máxima (h-i) en una dirección paralela a la dirección del flujo y un calibre máximo (w1) en una dirección ortogonal a la dirección del flujo; y
dicha altura máxima es mayor que dicho calibre máximo.
3. El dispositivo fluídico de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que la unidad de flujo está dispuesta para cubrir al menos parte de una sección transversal del pasaje cerrado.
4. El dispositivo fluídico de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que la unidad de flujo está dispuesta para cubrir una sección transversal completa del pasaje cerrado.
5. El dispositivo fluídico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una matriz (10) de unidades de flujo dispuesta para tener una extensión lateral en un plano lateral común, en el que un lado aguas abajo de una primera de las unidades de flujo se encuentra en comunicación de fluido con un lado aguas arriba de una segunda de las unidades de flujo para permitir que el líquido dieléctrico circulante pase a través de dicha primera y segunda de las unidades de flujo.
6. El dispositivo fluídico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el pasaje cerrado está adaptado para conectarse térmicamente a un intercambiador de calor (H, C).
7. El dispositivo fluídico de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el pasaje cerrado está conectado al intercambiador de calor.
8. El dispositivo fluídico de acuerdo con la reivindicación 6 o 7, en el que el disipador de calor es un intercambiador de calor o una fuente de calor.
9. El dispositivo fluídico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el pasaje cerrado está formado por una primera cámara (210) en comunicación de fluido con una segunda cámara (220), y en el que la unidad de flujo está dispuesta en una de dicha primera cámara y dicha segunda cámara.
10. El dispositivo fluídico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que al menos una porción del pasaje cerrado está formada como un tubo (200).
11. El dispositivo fluídico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el segundo electrodo está formado como una estructura de rejilla.
12. El dispositivo fluídico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos uno del primer electrodo y el segundo electrodo comprende una estructura de suspensión (125) dispuesta para absorber deformaciones inducidas térmicamente en el primer electrodo o el segundo electrodo, respectivamente.
13. Un procedimiento llevado a cabo en un dispositivo fluídico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, que comprende las etapas de:
activar la unidad de flujo para inducir un flujo del líquido dieléctrico en el dispositivo fluídico; y
desactivar el dispositivo fluídico para impedir un flujo del líquido dieléctrico en el dispositivo fluídico.
14. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 13, en el que la etapa de activar la unidad de flujo comprende aplicar una diferencia de voltaje entre el primer electrodo y el segundo electrodo.
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