ES2935382T3 - Conector térmico de alta conductancia - Google Patents

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Abstract

Conector térmico (1) de alta conductancia, que comprende : -una banda conductora térmica (2) que comprende capas de grafito pirolítico dispuestas en pilas (5) y película de poliimida (6) que cubre al menos parcialmente cada pila (5), con material adhesivo entre las capas de grafito pirolítico, teniendo la banda conductora térmica (2) dos extremos (4) opuestos, y - dos terminales extremos (3, 3') que alojan los extremos (4) correspondientes de la banda conductora térmica (2), en el que en los extremos (4) de la banda conductora térmica (2) hay un material adhesivo entre las capas de grafito pirolítico y entre las pilas (5) de capas de grafito pirolítico, y al menos uno de los extremos (4) de la banda conductora térmica (2) tiene una geometría que comprende varios salientes (7) separados por espacios intermedios (8).

Description

DESCRIPCIÓN
Conector térmico de alta conductancia
Campo de la invención
Esta invención se refiere a un conector térmico de alta conductancia, especialmente utilizado para tratar la gestión térmica de equipos y aviónica en una nave espacial en un entorno espacial.
Antecedentes de la invención
El control térmico de los equipos utilizados en la investigación basada en el espacio es la clave de un perfecto ren­ dimiento de estas herramientas complejas, que presentan requisitos con exigencias muy altas.
El sistema de control térmico es responsable de mantener los rangos de temperatura de los componentes durante toda la misión de una nave espacial o satélite. Las bandas térmicas (“thermal straps”) son caminos térmicos para la transferencia de calor que se utilizan como herramientas para controlar estas temperaturas dentro de la estructura de la nave espacial. Un camino térmico es el trazado del flujo de calor desde el punto donde entra en el sistema a la superficie o punto donde sale del sistema.
Una parte habitual de estas piezas de control térmico es una tira térmica flexible que une el instrumento o equipo de refrigeración al disipador térmico o sumidero de calor. Tiene que transportar calor (es decir, debe tener altas propie­ dades de conductancia) y también tiene una flexibilidad que permita su ajuste en cualquier posición precisa de la estructura de la nave espacial, sin que disminuya su rendimiento. Las restricciones mecánicas y/o geométricas son muy importantes cuando se diseña el sistema de control térmico de un hardware de vuelo.
Las tiras térmicas se utilizan en diversas industrias como sistema para controlar la variación de temperatura en equi­ pos eléctricos y ópticos. Habitualmente se comercializan como bandas con conectores en los extremos, y se hacen normalmente de cobre, aluminio o materiales orgánicos.
Los conectores térmicos son un sistema pasivo de control térmico de la nave espacial. No tienen partes móviles mecánicas o fluidos móviles. No tienen consumo de energía, tienen poca masa y son muy fiables.
El calor puede ser transferido en los satélites por conducción o por radiación. Las bandas térmicas conducen el calor del equipo a los radiadores a través de procesos conductivos.
Los conectores térmicos pueden ser clasificados de acuerdo con el material utilizado en conectores metálicos y conectores de grafito; dentro de estos dos grupos, pueden estar hechos en láminas u hojas, o pueden ser conectores de alambres roscados. Las bandas térmicas metálicas son las más ampliamente utilizadas. Están hechas de aleaciones de aluminio o cobre. La flexibilidad de las bandas metálicas depende del diámetro del alambre sencillo. La alta robustez y fiabilidad de estos metales la ha hecho una herramienta útil en aplicaciones en el espacio. Sin embargo, su masa puede ser una desventaja, principalmente en el caso del cobre.
El desarrollo de conectores térmicos a base de grafito ha supuesto una gran oportunidad para reducir el peso. Pue­ den estar hechos de grafito pirolítico o de fibras de carbón altamente conductivas, por ejemplo.
Se puede encontrar un ejemplo de una construcción que utiliza grafito pirolítico para la gestión térmica en el docu­ mento US 5296310 A (referido al producto k-Core ©, comercializado por Thermacore), titulada “Material Híbrido de Alta Conductividad para la Gestión Térmica ".
El documento EP 1025586 B1 o US 6131651 A se refieren a un “Dispositivo Flexible de Transferencia de Calor y Método”. El dispositivo de transferencia de calor para transferir calor desde una fuente de calor a un disipador térmi­ co comprende un material de núcleo de alta conductividad térmica de grafito pirolítico o de grafito pirolítico altamente ordenado.
El documento EP 2597041 B se refiere a una banda térmica formada por fibras o láminas y comprende una parte media flexible y dos partes extremas rígidas. Las fibras o láminas están embebidas en un material de matriz rígida constituyendo así las partes extremas rígidas.
El grafito laminar es un material con buenas propiedades de conductividad térmica en su plano, pero con mala con­ ductividad en la dirección normal.
Por consiguiente, existe la necesidad de obtener un conector térmico basado en grafito con conductancia mejorada también en la dirección normal.
Sumario de la invención
El objeto de la invención es proporcionar un conector térmico con conductancia mejorada, también en la dirección normal.
La invención proporciona un conector térmico de alta conductancia, que comprende :
- una banda conductora térmica que comprende capas de grafito pirolítico dispuestas en pilas y una película de poliimida que al menos parcialmente cubre cada pila, con material adhesivo entre las capas de grafito pirolítico, teniendo la banda conductora térmica dos extremos opuestos, y
- dos terminales extremos que alojan los extremos correspondientes de la banda conductora térmica,
teniendo al menos uno de los extremos de la banda conductora térmica una geometría en planta que comprende varios salientes separados por espacios intermedios,
en el que en los extremos de la banda conductora térmica hay un material adhesivo entre las capas de grafito pirolítico y entre las pilas de capas de grafito pirolítico, y los terminales extremos comprenden dos mitades simétricas unidas por medios de unión.
La invención permite una mejor conductividad con respecto a los conectores térmicos de la técnica anterior, incluyendo los metálicos. Por consiguiente, puede disipar el calor generado en el equipo electrónico y óptico de una manera mejor evitando el sobrecalentamiento de la nave espacial o satélite.
Otra ventaja de la invención es que reduce la masa necesaria con respecto a los conectores térmicos de la técnica anterior.
Otra ventaja de la invención es que no tiene límites en longitud o anchura de manera que puede adoptar diferentes geometrías de acuerdo con diferentes necesidades.
Otras características y ventajas de la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de varias realizaciones ilustrativas de su objeto en relación con las figuras adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra una vista en perspectiva de una realización del conector térmico de alta conductancia de la invención.
La figura 2 muestra una vista lateral del conector térmico de alta conductancia de la figura 1.
La figura 3 muestra una vista frontal de uno de los terminales extremos del conector térmico de alta conductancia de la figura 1.
La figura 4 muestra una vista frontal del otro terminal extremo del conector térmico de alta conductancia de la figura 1.
La figura 5 muestra la sección transversal A-A de la figura 3.
La figura 6 muestra la sección transversal C-C de la figura 4.
La figura 7 muestra la sección transversal D-D de la figura 4.
Las figuras 8 y 9 muestran la sección transversal B-B de la figura 2, correspondiente a los terminales extremos.
La figura 10 muestra una vista en perspectiva de otra realización compleja del conector térmico de alta conductancia de la invención.
La figura 11 es una vista del conector térmico de alta conductancia de la figura 10 que muestra la configuración de uno de los extremos de la banda conductora térmica.
La figura 12 muestra la configuración del otro extremo de la banda conductora térmica.
La figura 13 es otra vista del conector térmico de alta conductancia de la figura 10.
La figura 14 muestra una sección transversal de una pila de capas de grafito pirolítico cubierta por película de poliimida.
Descripción detallada de la invención
La figura 1 muestra un conector térmico 1 de alta conductancia que comprende dos terminales extremos 3, 3’ y una banda conductora térmica 2.
La banda conductora térmica 2 comprende capas de grafito pirolítico dispuestas en pilas 5 y una película de poliimida 6 que cubre al menos parcialmente cada pila 5 de capas de grafito pirolítico, con material adhesivo entre las capas de grafito pirolítico. La banda conductora térmica 2 tiene dos extremos opuestos 4, cada uno de ellos dispuesto dentro del correspondiente terminal extremo 3, 3’ (véanse las figuras 5 a 9), que alberga el extremo 4 correspondiente de la banda conductora térmica 2.
En las figuras 8 y 9 se puede ver que los extremos 4 de la banda conductora térmica 2 tienen una geometría con dos salientes 7 separados por un espacio intermedio 8.
En los extremos 4 de la banda conductora térmica 2 hay un material adhesivo entre las capas de grafito pirolítico y entre las pilas 5 de capas de grafito pirolítico.
Esta configuración del conector térmico 1 de alta conductancia permite una mejor transferencia de calor entre las capas de grafito pirolítico y los terminales extremos 3, 3’.
Las capas de grafito pirolítico pueden estar dispuestas como láminas (es decir, con forma plana).
En una realización, las pilas 5 de grafito pirolítico en los extremos 4 de la banda conductora térmica 2 alojados dentro de los terminales extremos 3, 3’ no están cubiertas por una película de poliimida 6 (es decir, solo están cubiertas por una película de poliimida 6 en la parte intermedia de la banda conductora térmica 2 situada entre ambos extremos 4).
Los terminales extremos 3, 3’ están constituidos por dos mitades simétricas 9, que pueden unirse mediante medios de unión 10(véanse las figuras 5 y 6), alojando los extremos 4 correspondientes de la banda conductora térmica 2.
Los terminales extremos 3, 3’ pueden estar hechos de metal (por ejemplo, aluminio) o materiales orgánicos.
Las figuras 10 a 13 muestran otra realización compleja de un conector térmico 1 de alta conductancia de la invención. Como se puede ver, el conector térmico 1 de la invención tiene suficiente flexibilidad para ser capaz de adaptarse a diferentes necesidades y geometrías.
Las figuras 11 y 12 muestran la configuración de los extremos 4 de la banda conductora térmica 2. Puede verse que los extremos 4 de la banda conductora térmica 2 tienen una geometría con varios salientes 7 (en este caso más de dos) separados por espacios intermedios 8.
Para poder obtener el rendimiento mejorado, el conector térmico 1 tiene un diseño optimizado en sus extremos en donde las capas de grafito pirolítico se colocan en un adhesivo de alta conductividad para asegurar una buena conductividad térmica entre las bandas conductoras térmicas 2 y los correspondientes terminales extremos 3, 3’.
El diseño interno de los extremos del conector térmico 1 es un factor clave para generar la conductividad en la dirección normal de la banda conductora térmica 2, ya que el grafito pirolítico tiene buenas propiedades conductoras solamente sobre un plano.
De acuerdo con una realización, las pilas 5 de grafito pirolítico en los extremos 4 de la banda conductora térmica 2 alojados en el interior de los terminales extremos 3, 3’ no están cubiertas por una película de poliimida 6.
La figura 14 muestra una sección transversal de una pila 5 de capas de grafito pirolítico cubierta por película de poliimida 6.
La configuración simétrica de los terminales extremos 3,3’ junto con la disposición de las pilas 5 de grafito pirolítico en los extremos 4 de la banda conductora térmica 2 alojada en el interior de los terminales extremos 3, 3’ permiten que el calor pueda fluir a través de las caras de los terminales extremos 3, 3’ (es decir, permite varias trayectorias térmicas).
La banda térmica 2 no tiene limitaciones de longitud o anchura, de manera que puede adoptar diferentes geometrías de acuerdo con diferentes necesidades (es decir puede ser rectangular, cuadrada o de cualquier forma deseada con las dimensiones deseadas).
Otra ventaja es que el conector térmico 1 de la invención no transmite cargas mecánicas entre los terminales extremos 3, 3’ debido a su alta flexibilidad que desacopla mecánicamente un extremo de la banda térmica 2 del otro.
Aunque la presente invención se ha descrito completamente en relación con las realizaciones preferidas es evidente que se pueden introducir modificaciones dentro del alcance de la misma no considerando esto limitado por estas realizaciones, sino por el contenido de las siguientes reivindicaciones.

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1 Conector térmico (1) de alta conductancia, que comprende :
    - una banda conductora térmica (2) que comprende capas de grafito pirolítico dispuestas en pilas (5) y película de poliimida (6) que cubre al menos parcialmente cada pila (5), con material adhesivo entre las capas de grafito pirolítico, teniendo la banda conductora térmica (2) dos extremos (4) opuestos, y
    - dos terminales extremos (3, 3’) que alojan los extremos (4) correspondientes de la banda conductora térmica (2), caracterizado por que al menos uno de los extremos (4) de la banda conductora térmica (2) tiene una geometría en planta que comprende varios salientes (7) separados por espacios intermedios (8),
    y por que en los extremos (4) de la banda conductora térmica (2) hay un material adhesivo entre las capas de grafito pirolítico y entre las pilas (5) de capas de grafito pirolítico, y los terminales extremos (3, 3’) comprenden dos mitades (9) simétricas unidas por medios de unión (10).
  2. 2. - Conector térmico (1) de alta conductancia según la reivindicación 1, en el que las capas de grafito pirolítico están dispuestas como láminas.
  3. 3. - Conector térmico (1) de alta conductancia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las pilas (5) de grafito pirolítico en los extremos (4) de la banda conductora térmica (2) alojada dentro de los terminales extremos (3, 3’) no están cubiertas por una película de poliimida (6).
  4. 4. - Conector térmico (1) de alta conductancia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que los terminales extremos (3, 3’) están hechos de metal o de material orgánico.
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