ES2959029T3 - Sistema de gestión térmica - Google Patents

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Abstract

La presente invención proporciona un vehículo (100) que comprende: un cuerpo (4) que tiene una piel; una fuente de calor (12); y un sistema de gestión térmica. El sistema de gestión térmica comprende: un tubo de calor (14) que comprende: un extremo del evaporador (cerca de 12) y un extremo del condensador (cerca del intercambiador de calor 22a, 22b); un vapor dispuesto para fluir desde el extremo del evaporador hasta el extremo del condensador; y un fluido de trabajo dispuesto para fluir desde el extremo del condensador hasta el extremo del evaporador, en el que el tubo de calor (14) está dispuesto de manera que el extremo del evaporador está dispuesto cerca de la fuente de calor para absorber calor de la fuente de calor; y uno o más intercambiadores de calor dispuestos cerca del extremo del condensador e integrados con la piel. La presente invención también proporciona un método para controlar la temperatura en un vehículo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de gestión térmica
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un vehículo según la reivindicación 1 y a un método para gestionar la temperatura en un vehículo según la reivindicación 10.
Antecedentes
Se han ideado aeronaves no tripuladas de gran altitud y gran autonomía (HALE,High altitude long endurance).Estas típicamente tienen una gran envergadura alar y una baja resistencia para mejorar su capacidad para operar eficientemente durante semanas o meses a altitudes por encima de 15 km. Al operar a velocidades relativamente bajas y a grandes altitudes, el flujo de aire sobre las superficies de la aeronave es escaso. Por lo tanto, es difícil eliminar eficazmente el calor generado por los componentes electrónicos y la fricción de las piezas móviles de la aeronave. El documento US 2018/170553 A1 describe un aparato pasivo de enfriamiento para componentes electrónicos de un vehículo aéreo no tripulado (UAV,unmanned aerial vehicle),que comprende una tubería con una aleta y un fluido, estando la aleta ubicada en una parte superior de la tubería en una primera ubicación; y una fuente de calor fijada a la parte superior de la tubería en una segunda ubicación, la segunda ubicación separada a una primera distancia de la primera ubicación. El documento DE 102017 200624 A1 describe un intercambiador de calor para un vehículo de carretera, teniendo el intercambiador de calor una estructura de tipo sándwich, estando el intercambiador de calor integrado en el capó delantero del vehículo.
No sería apropiado instalar una unidad de aire acondicionado o una disposición de bombas y/o ventiladores en un vehículo con requisitos de peso estrictos, tales como una aeronave HALE o un bólido.
Por lo tanto, existe la necesidad de medios de peso ligero para eliminar el calor de un vehículo.
Resumen
Según un aspecto de la presente invención, se proporciona un vehículo que comprende:
un cuerpo que tiene un recubrimiento;
una fuente de calor; y
un sistema de gestión térmica que comprende:
un caloriducto que comprende:
un extremo de evaporador y un extremo de condensador;
un vapor dispuesto para fluir desde el extremo de evaporador hasta el extremo de condensador; y
un fluido de trabajo dispuesto para fluir desde el extremo de condensador hasta el extremo de evaporador, en donde el caloriducto está dispuesto de manera que el extremo de evaporador está dispuesto cerca de la fuente de calor para absorber calor de la fuente de calor; y
uno o más intercambiadores de calor dispuestos cerca del extremo de condensador e integrados con el recubrimiento. Ventajosamente, el caloriducto proporciona medios ligeros para transferir calor lejos de una fuente de calor, reduciendo el peso total del vehículo. Además, debido al intercambiador de calor que forma parte del recubrimiento, el peso se reduce aún más junto con el coeficiente de resistencia del vehículo.
El vehículo comprende, además:
un primer sensor de temperatura para medir la temperatura de la fuente de calor;
medios de traslación para hacer que el caloriducto se traslade de una primera configuración a una segunda configuración en respuesta a una señal de control, en donde, en la primera configuración, el extremo de evaporador está dispuesto cerca de la fuente de calor y, en la segunda configuración, el extremo de evaporador está dispuesto a una distancia mayor de la fuente de calor que en la primera configuración; y
un procesador dispuesto para recibir una medición de temperatura del primer sensor de temperatura y para generar una señal de control para controlar los medios s de traslación para realizar una traslación del caloriducto de la primera configuración a la segunda configuración o de la segunda configuración a la primera configuración dependiendo de si la temperatura es respectivamente inferior o superior a un umbral.
El caloriducto puede ser telescópico y los medios de traslación pueden comprender medios para extender o contraer de manera selectiva el caloriducto de manera que el extremo de evaporador se acerca o aleja respectivamente de la fuente de calor.
Los medios de traslación pueden comprender medios de pivote para rotar al menos parte del caloriducto en respuesta a la señal de control para acercar o alejar el extremo de evaporador de la fuente de calor. Alternativamente, los medio de traslación pueden comprender medios para reubicar el caloriducto en respuesta a la señal de control para acercar o alejar el extremo de evaporador de la fuente de calor.
Los uno o más intercambiadores de calor pueden comprender cada uno una o más aletas dispuestas en una abertura en el cuerpo del vehículo, una parte de cada una de las una o más aletas puede disponerse para llenar sustancialmente la abertura y adaptar el contorno del recubrimiento adyacente que rodea la abertura para formar una parte del recubrimiento, y el extremo de condensador del caloriducto puede disponerse de manera adyacente a cada una de las una o más aletas. La parte de una primera de las aletas puede estar separada de la parte de una segunda de las aletas de manera que se proporciona un entrehierro entre las aletas.
El vehículo puede comprender un primer intercambiador de calor dispuesto en un primer lado del vehículo y un segundo intercambiador de calor dispuesto en un segundo lado del vehículo, siendo el primer lado sustancialmente opuesto al segundo lado, en donde una primera parte del extremo de condensador está dispuesta de manera adyacente a las una o más aletas del primer intercambiador de calor y una segunda parte del extremo de condensador está dispuesta de manera adyacente a las una o más aletas del segundo intercambiador de calor. El vehículo puede comprender:
un segundo sensor de temperatura dispuesto en el primer lado del vehículo para medir la temperatura de la atmósfera cerca del primer intercambiador de calor;
un tercer sensor de temperatura dispuesto en el segundo lado del vehículo para medir la temperatura de la atmósfera cerca del segundo intercambiador de calor;
medios de conmutación para dirigir de manera selectiva el flujo de vapor hacia el primer intercambiador de calor, el segundo intercambiador de calor, o ambos; y
un procesador en comunicación eléctrica con los sensores de temperatura segundo y tercero, estando el procesador dispuesto para:
determinar cuál del primer lado y del segundo lado del vehículo es más frío, y
generar una señal de control para controlar los medios de conmutación para dirigir el flujo de vapor al intercambiador de calor en el lado más frío del vehículo.
El al menos un intercambiador de calor puede estar integrado con una deriva de una aeronave. El vehículo puede ser una aeronave de gran altitud y gran autonomía.
El al menos un intercambiador de calor puede integrarse con un alerón de un coche, de manera que la al menos una aleta forma una parte del recubrimiento del alerón.
De acuerdo con un aspecto adicional de la presente invención, se proporciona un método para gestionar la temperatura en un vehículo de acuerdo con el primer aspecto, que comprende:
medir la temperatura de una fuente de calor;
generar una señal de control para controlar medios de traslación en función de la temperatura medida; y controlar los medios de traslación para realizar una traslación del caloriducto a una primera configuración si la temperatura medida es superior a un umbral o a una segunda configuración si la temperatura medida es inferior a un umbral, en donde, en la primera configuración, el extremo de evaporador está cerca de la fuente de calor y, en la segunda configuración, el extremo de evaporador está dispuesto a una distancia mayor de la fuente de calor que en la primera configuración.
El método puede comprender extender o contraer el caloriducto en respuesta a la señal de control de manera que el extremo de evaporador se acerca o aleja respectivamente de la fuente de calor. Alternativamente, el método puede comprender girar al menos parte del caloriducto o reubicar el caloriducto en respuesta a la señal de control para acercar o alejar el extremo de evaporador de la fuente de calor.
Se apreciará que las características descritas en relación con un aspecto de la presente invención pueden incorporarse a otros aspectos de la presente invención. Por ejemplo, un aparato de la invención puede incorporar cualquiera de las características descritas en esta descripción con referencia a un método, y viceversa. Por otra parte, las realizaciones y aspectos adicionales resultarán evidentes a partir de las siguientes reivindicaciones. Como se puede apreciar a partir de la descripción anterior y posterior, todas y cada una de las características descritas en el presente documento, y todas y cada una de las combinaciones de dos o más de tales características, y todas y cada una de las combinaciones de uno o más valores que definen un intervalo, se incluyen dentro de la presente divulgación siempre que las características incluidas en dicha combinación no sean mutuamente contradictorias. De manera adicional, cualquier característica o combinación de características o cualquier(cualesquier) valor(es) que define(n) un intervalo puede(n) excluirse específicamente de cualquier realización de la presente descripción.
Breve descripción de los dibujos
Ahora se describirán realizaciones de la invención a modo de ejemplo únicamente y con referencia a los dibujos adjuntos. La Figura 1 es una vista en perspectiva de una aeronave;
La Figura 2 es un diagrama del sistema de un sistema de gestión térmica dentro de un vehículo de acuerdo con las realizaciones de la presente invención;
La Figura 3 es una vista en planta de una aeronave que tiene un sistema de gestión térmica de acuerdo con las realizaciones de la presente invención;
La Figura 4 es una vista en planta de una aeronave que tiene un sistema de gestión térmica de acuerdo con las realizaciones adicionales de la presente invención;
La Figura 5 muestra una vista en sección transversal de un intercambiador de calor de acuerdo con las realizaciones de la presente invención;
La Figura 6 es una vista en perspectiva de una deriva vertical que tiene un intercambiador de calor como se muestra en la Figura 5; y
Las Figuras 7a y 7b son vistas en sección transversal a través de una deriva vertical que tiene un intercambiador de calor como se muestra en la Figura 5.
Por conveniencia y economía, se usan los mismos números de referencia en diferentes figuras para etiquetar elementos idénticos o similares.
Descripción detallada
Las realizaciones en el presente documento generalmente se refieren a un sistema de gestión térmica para un vehículo. El sistema de gestión térmica incluye un caloriducto para expulsar el calor de las fuentes de calor dentro del vehículo, tales como la electrónica aeronáutica, sistemas de formación de imágenes y piezas móviles que generan calor a través de la fricción. Los sistemas de gestión térmica de la técnica anterior para vehículos incluyen, por ejemplo, radiadores para refrigerar los motores de los coches o sistemas refrigerantes alimentados por una unidad de potencia auxiliar para los compartimentos de electrónica aeronáutica en aeronaves. Estos tienden a ser sistemas relativamente pesados y complejos y/o tienen un coeficiente de resistencia relativamente alto.
Además, en algunas realizaciones, el sistema de gestión térmica incluye intercambiadores de calor formados integralmente con el cuerpo del vehículo, de manera que forman parte del recubrimiento del vehículo. En algunas realizaciones, descritas con más detalle más adelante, el sistema de gestión térmica incluye un procesador para controlar la velocidad de enfriamiento de la fuente de calor.
La invención se explicará ahora con más detalle con referencia a los dibujos.
En la Figura 1 se muestra una aeronave 100, específicamente un avión no tripulado tipo HALE. Si bien aquí se muestra una aeronave 100, se apreciará fácilmente que la presente invención es aplicable a otros tipos de vehículos, tales como coches, barcos, naves espaciales, globos aerostáticos y trenes. La presente invención es particularmente aplicable a vehículos que tienen restricciones de peso onerosas, ya que el sistema de gestión térmica descrito en el presente documento tiende a ser relativamente ligero. La aeronave 100 incluye un miembro 6 de ala que tiene una envergadura alar de aproximadamente 35 metros y una cuerda relativamente estrecha (es decir, del orden de 1 metro). El miembro 6 de ala está acoplado a un fuselaje 4. Para equilibrar aerodinámicamente la aeronave 100, un plano 8 horizontal de cola y una deriva 10 vertical (o estabilizador vertical) están acoplados a la parte trasera del fuselaje 4. Un módulo 2 de carga útil está acoplado a la parte frontal del fuselaje 4, es decir, la nariz de la aeronave 100. Un motor que tiene una hélice está montado en el miembro 6 de ala en ambos lados del fuselaje 4. Los motores se alimentan mediante una combinación de paneles solares montados en las superficies superiores del miembro 6 de ala y baterías dispuestas en el interior del fuselaje 4 y/o del miembro 6 de ala.
La aeronave 100 es de construcción ligera. Por ejemplo, el fuselaje 4, el miembro 6 de ala, el módulo 2 de carga útil, el plano 8 de cola y la deriva 10 están hechos de una estructura de recubrimiento con laminado de fibra de carbono monocasco. En otras palabras, el recubrimiento forma el cuerpo de la aeronave. En otras realizaciones, el cuerpo está hecho sustancialmente de un metal ligero, tal como titanio, aleación de titanio, aluminio o aleación de aluminio.
Un número de fuentes de calor puede estar presente dentro de la aeronave 100. Por ejemplo, el módulo 2 de carga útil puede contener un procesador y/o equipo de cámara que genera calor cuando está en funcionamiento. Las baterías dispuestas en el miembro 6 de ala y/o el fuselaje 4 pueden generar calor cuando se cargan o descargan. El equipo de radio en el fuselaje 4 o el módulo 2 de carga útil puede generar calor cuando se transmiten datos. Debido a la velocidad de aire relativamente baja del aire que atraviesa las superficies de la aeronave 100, y la baja densidad de aire en las grandes altitudes en las que tiende a operar, puede ser difícil expulsar el calor de la aeronave 100. Es importante expulsar el calor de las fuentes de calor, al menos en algunas circunstancias, para evitar que se dañen los componentes de la aeronave 100 o para evitar que se reduzca su rendimiento.
En la Figura 2 se muestra un sistema de gestión térmica para expulsar el calor de la fuente 12 de calor. El sistema de gestión térmica incluye un caloriducto 14. El caloriducto 14 es un dispositivo pasivo de transferencia de calor sellado alargado que combina los principios tanto de la conductividad térmica como de la transición de fase para transferir calor de manera efectiva entre dos interfaces sólidas. El caloriducto 14 resultaría familiar para un experto en la técnica de fabricación de microelectrónica y dispositivos electrónicos de consumo relativamente pequeños, por ejemplo, pero no generalmente para alguien que diseñe un vehículo, particularmente una aeronave 100.
El caloriducto 14 comprende un recipiente 13 estanco al aire, una estructura 18 de mecha porosa y un fluido 16 de trabajo. La estructura 18 de mecha está dispuesta en el interior del recipiente 13 en el extremo del caloriducto 14 cerca de la fuente 12 de calor. Este extremo del caloriducto 14 funciona como un evaporador. A medida que el calor de la fuente 12 de calor se introduce en el extremo del evaporador, el fluido 16 se vaporiza, creando un gradiente de presión. Este gradiente de presión empuja al vapor a fluir a lo largo del caloriducto 14, a través del canal central, hasta el extremo de condensador (es decir, el extremo próximo a los intercambiadores 22a, 22b de calor) donde se condensa debido a que este extremo es más frío, proporcionando su calor latente de vaporización. El fluido 16 de trabajo regresa luego al extremo de evaporador por las fuerzas capilares desarrolladas en la estructura 18 de mecha o por gravedad.
El recipiente 13 de presión (es decir, el cuerpo principal) del caloriducto 14 comprende un material que tiene una alta resistencia y una alta conductividad térmica, tal como cobre o aluminio. El fluido 16 de trabajo comprende un fluido que tiene un alto calor latente y una alta conductividad térmica, tal como helio líquido, amoniaco, alcohol o etanol.
En una realización preferida, el helio líquido se usa como el fluido 16 de trabajo ya que es eficaz a las temperaturas ambiente a las que opera típicamente una aeronave HALE, por ejemplo, hasta -70 grados Celsius. La estructura 18 de mecha mantiene una acción capilar eficaz cuando se dobla o se usa contra la gravedad. La estructura 18 de mecha comprende, por ejemplo, polvo de cobre sinterizado, una pantalla o una serie de ranuras paralelas al eje longitudinal del caloriducto 14.
El extremo de evaporador del caloriducto 14 se dispone cerca de la fuente 12 de calor. El extremo opuesto (es decir, el extremo de condensador) del caloriducto 14 está dispuesto cerca de al menos un intercambiador 22a, 22b de calor (generalmente, 22). Como se analiza con más detalle con referencia a la Figura 3, en algunas realizaciones, el extremo de condensador del caloriducto 14 está bifurcado de tal manera que una rama del extremo de condensador está dispuesta adyacente a un primer intercambiador 22a de calor y otra rama del extremo de condensador está dispuesta adyacente a un segundo intercambiador 22b de calor. En la realización mostrada en la Figura 2, el caloriducto 14 no está bifurcado, y en este caso, hay un intercambiador 22a, 22b de calor dispuesto a cada lado del extremo de condensador del caloriducto 14.
Además, el extremo de evaporador del caloriducto 14 puede bifurcarse, o dividirse adicionalmente, para acercarse a la fuente 12 de calor desde diferentes direcciones o para permitir que se use un sólo caloriducto 14 para transportar el calor lejos de una pluralidad de fuentes 12 de calor.
Los intercambiadores 22 de calor, descritos con más detalle con referencia a la Figura 5, distribuyen calor desde el caloriducto 14 a la atmósfera 24 que rodea el vehículo (tal como la aeronave 100 en la Figura 1).
La Figura 3 muestra una vista en planta de un sistema de gestión térmica implementado en una aeronave 100. El caloriducto 14 está dispuesto a lo largo de la longitud del fuselaje 4, es decir, paralelo al eje longitudinal del fuselaje 4, para expulsar el calor de una fuente 12 de calor en el módulo 2 de carga útil hacia la deriva 10. Mientras que la fuente 12 de calor se muestra dispuesta dentro del módulo 2 de carga útil, en otras realizaciones, la fuente 12 de calor y, en consecuencia, el extremo de evaporador del caloriducto 14, se dispone en una parte diferente de la aeronave 100. Por ejemplo, la fuente 12 de calor puede ser los motores acoplados al miembro 6 de ala de la aeronave 100.
Una primera rama 14a del extremo de condensador del caloriducto 14 está dispuesta de manera adyacente a un primer intercambiador 22a de calor en el lado izquierdo de la deriva 10 y una segunda rama 14b del extremo de condensador del caloriducto 14 está dispuesta de manera adyacente a un segundo intercambiador 22b de calor en el lado derecho de la deriva 10. Como se muestra en la Figura 7, las dos ramas 14a, 14b pasan a través de las aletas de los respectivos intercambiadores 22a, 22b de calor. Mientras tanto, en otras realizaciones, el extremo de condensador del caloriducto 14 no está bifurcado. En este caso, las aletas pueden solaparse entre sí, de manera que el extremo de condensador no dividido del caloriducto 14 puede intersecar cada aleta. Alternativamente, sólo puede haber un único intercambiador 22 de calor.
Además, en lugar de dirigirse hacia la deriva 10, en algunas realizaciones, el caloriducto 14 pasa a través de parte del fuselaje 4 y entra en el miembro 6 de ala. En este caso, los intercambiadores de calor 22 están integrados con una superficie superior y/o inferior del miembro 6 de ala. Por ejemplo, un intercambiador 22a de calor está integrado con el miembro 6 de ala en el lado derecho del fuselaje 4 y otro intercambiador 22b de calor está integrado con el miembro 6 de ala en el lado izquierdo del fuselaje 4. En otras realizaciones, el(los) intercambiador(es) 22 de calor está(n) integrado(s) con superficies superior y/o inferior del estabilizador horizontal 8. Resulta ventajoso distribuir el intercambiador 22 de calor sobre un área superficial grande para aumentar la velocidad de disipación de calor a la atmósfera 24.
La Figura 4 muestra una aeronave 100 que tiene un sistema de gestión térmica según otra realización. Además de los componentes de las realizaciones descritas con referencia a la Figura 3, las realizaciones ahora descritas con referencia a la Figura 4 incluyen una extensión 14c de caloriducto, una unidad 21 de control de flujo, un controlador 17, un sensor 19 de temperatura y un intercambiador 22c de calor montado en el ala. El controlador 17 puede ser parte de la unidad 21 de control de flujo, o un componente separado pero conectado eléctricamente.
La extensión 14c de caloriducto es una extensión del extremo de condensador del caloriducto 14 como se describe con referencia a la Figura 2. La extensión 14c de caloriducto termina cerca del intercambiador 22c de calor montado en el ala. La extensión 14c de caloriducto está acoplada fluídicamente al caloriducto 14 por medio de la unidad 21 de control de flujo. La extensión 14c de caloriducto puede ser más estrecha que el caloriducto 14. El intercambiador 22c de calor montado en el ala tiene un área de superficie más pequeña que uno de los intercambiadores 22a, 22b de calor montados en la cola. Sin embargo, en otras realizaciones, el intercambiador 22c de calor montado en el ala puede tener un área de superficie aumentada con respecto a los intercambiadores 22 de calor montados en la cola.
La unidad 21 de control de flujo incluye al menos una válvula controlable para dirigir el medio de transporte de calor (es decir, vapor y fluido 16 de trabajo) para que continúe fluyendo a lo largo del caloriducto 14 desde la fuente 12 de calor hacia la deriva 10 (yviceversa),o para que fluya a lo largo de la extensión 14c de caloriducto hacia (o lejos) del intercambiador 22c de calor montado en el ala, o para que fluya a lo largo de ambos. La unidad 21 de control de flujo puede comprender una válvula dispuesta en el caloriducto y otra válvula dispuesta en la extensión 14c de caloriducto. Al permitir que el medio de transporte de calor se desplace tanto a lo largo del caloriducto 14 como a la extensión 14c de caloriducto, el área de superficie del extremo de condensador tiende a aumentar de manera que se aumenta la velocidad a la que se elimina el calor de la fuente 12 de calor.
Al evitar que el vapor fluya a lo largo de toda la longitud del canal principal del caloriducto 14 a los intercambiadores 22 de calor y, en su lugar, dirigir el vapor para que fluya a lo largo de la extensión 14c de caloriducto, la velocidad a la que se expulsa el calor de la fuente 12 de calor (es decir, la velocidad a la que se enfría la fuente 12 de calor) se reduce, pero no se detiene. Al cerrar completamente las válvulas dentro de la unidad 21 de control de flujo, se impide sustancialmente que el calor se expulse de la fuente 12 de calor. En otras palabras, la unidad 21 de control de flujo puede controlarse o configurarse para evitar que el vapor alcance cualquier intercambiador 22 de calor, de modo que no se pierda calor del sistema. Prevenir que el calor llegue a los intercambiadores de calor, o reducir al mínimo su salida en ciertas condiciones, puede reducir la firma térmica de la aeronave 100, lo que resulta ventajoso cuando una amenaza dotada de un sistema de búsqueda y seguimiento por infrarrojos (IRST,Infrared Search and Track)o un misil guiado por calor se encuentra en las proximidades de la aeronave 100.
En otras realizaciones, puede haber extensiones de caloriducto adicionales para transportar opcionalmente el calor en direcciones alternativas. En otras realizaciones, la unidad 21 de control de flujo puede comprender una sola válvula operable de manera que el medio de transferencia de calor sea capaz de desplazarse a lo largo del caloriducto 14 alejándose de la fuente 12 de calor, o bien se impida (es decir, se bloquee) que fluya por completo. En otras palabras, la unidad 21 de control de flujo puede incorporarse en el sistema de gestión térmica sin extensiones adicionales de caloriducto.
El sensor 19 de temperatura es, por ejemplo, un termopar. El sensor 19 de temperatura puede incorporarse en un chip MEMS. Como se muestra en la Figura 4, en algunas realizaciones, el sensor 19 de temperatura está integrado con la fuente 12 de calor. En otras realizaciones, el sensor 19 de temperatura está dispuesto de manera adyacente a la fuente 12 de calor. El sensor 19 de temperatura está acoplado eléctricamente al controlador 17. El sensor 19 de temperatura transmite una señal continua al controlador 17 indicativa de la temperatura de la fuente 12 de calor. En realizaciones donde hay una pluralidad de fuentes 12 de calor, puede haber una pluralidad de sensores 19 de temperatura, cada uno asociado con cada fuente 12 de calor.
El controlador 17 puede adoptar cualquier forma adecuada. Por ejemplo, puede ser un microcontrolador, varios microcontroladores, un procesador o varios procesadores. El controlador 17 recibe la señal indicativa de la temperatura de la fuente 12 de calor del sensor 19 de temperatura. El controlador 17 compara la temperatura de la fuente 12 de calor con una temperatura umbral. El controlador 17 genera entonces una señal de control para controlar la unidad 21 de control de flujo para cambiar el caudal del medio de transferencia de calor en el caloriducto 14 en función de la temperatura de la fuente 12 de calor.
Por ejemplo, si la temperatura de la fuente 12 de calor es inferior al umbral, el controlador 17 genera una señal de control para cerrar la(s) válvula(s) en la unidad 21 de control de flujo de manera que se reduce la pérdida de calor de la fuente 12 de calor. Esto puede resultar ventajoso cuando un sistema a bordo de la aeronave 100 no se ha activado en un largo período de tiempo y no funciona de manera óptima a bajas temperaturas y, por lo tanto, es deseable que ese sistema se caliente rápidamente una vez en uso. Por ejemplo, el equipo derivado de los componentes comerciales (COTS,Commercial Off The Shelf)(p. ej., óptica, enrutador o radios) puede no ser capaz de funcionar correcta o efectivamente a las altitudes (es decir, bajas temperaturas) a las que suelen operar las aeronaves HALE. Por lo tanto, algunos equipos pueden requerir ser llevados a un “ estado de espera” antes de que puedan ser puestos en pleno funcionamiento. Además, puede ser conveniente limitar la tasa de pérdida de calor cuando la aeronave 100 está en tierra o volando a altitudes más bajas, ya que en este caso el aire caliente se extrae naturalmente de los intercambiadores 22 de calor a una mayor velocidad debido a la presión y velocidad relativas del aire.
Cuando la temperatura de la fuente 12 de calor excede ampliamente el umbral, o excede un segundo umbral superior al primer umbral, el controlador 17 puede controlar la unidad 21 de control de flujo para abrir ambas válvulas a fin de permitir que el vapor que transporta el calor fluya lejos de la fuente 12 de calor lo más rápido posible. Por ejemplo, el equipo diseñado específicamente para funcionar en un clima más frío, tal como el clima en las altitudes de funcionamiento de HALE, requiere refrigeración adicional después de una aproximación “ fuera de estación” , tal como un descenso o aterrizaje inesperado. En lugar de la disposición mostrada en la Figura 4, la unidad 21 de control de flujo puede instalarse en su lugar o adicionalmente en la unión entre la primera rama 14a y la segunda rama 14b. En un primer modo, se permite que el vapor que transporta energía térmica fluya hacia el intercambiador 22a de calor derecho pero no hacia el intercambiador 22b de calor izquierdo, reduciendo así, aunque no impidiéndolo, la velocidad a la que se pierde calor del sistema. En un segundo modo, se permite que el vapor que transporta energía térmica fluya hacia el intercambiador 22b de calor izquierdo, pero no hacia el intercambiador 22a de calor derecho. En un tercer modo, se permite que el vapor que transporta energía térmica fluya hacia ambos intercambiadores 22a, 22b de calor para aumentar la velocidad de pérdida de calor. En un cuarto modo, la(s) válvula (s) de la unidad 21 de control de fluido están cerradas para evitar que el calor se pierda a través del intercambiador 22a, 22b de calor. El control térmico puede ser estabilizado por el controlador 17 mediante ciclaje de la unidad 21 de control de fluido a través de los diferentes modos.
Además, el sistema de gestión térmica puede comprender medios para que el controlador 17 determine la temperatura atmosférica ambiente en ambos lados de la aeronave 100. En otras palabras, un sensor 19 de temperatura puede estar dispuesto en la superficie exterior de la aeronave 100. Un sensor 19 de temperatura puede estar dispuesto de manera adyacente o próximo a cada intercambiador 22 de calor.
En este caso, el controlador 17 está configurado para optimizar el sistema de gestión térmica controlando la unidad 21 de control de flujo para dirigir el vapor sólo hacia el intercambiador 22 de calor que tiene la temperatura ambiente más baja.
En otras realizaciones, la unidad 21 de control de fluido es un mecanismo para alejar físicamente el extremo de evaporador del caloriducto 14 de la fuente 12 de calor de manera que el calor no se expulse de la fuente 12 de calor. En una realización, el caloriducto 14 es telescópico. En este caso, la unidad 21 de control de fluido comprende un motor para accionar el caloriducto 14 para extenderse o contraerse en respuesta a una señal de control del controlador 17. En otras palabras, el controlador 17 recibe una medición de temperatura del sensor 19 de temperatura. Si la temperatura es inferior a un umbral, lo que indica que la fuente 12 de calor está demasiado fría o de otro modo no necesita enfriarse, el controlador 17 genera una señal de control para retraer (o contraer) el caloriducto 14 para alejar el extremo de evaporador de la fuente de calor.
De nuevo en una realización alternativa, la unidad 21 de control de fluido comprende un punto de pivote o bisagra giratoria. Puede comprender una cremallera y piñón u otra disposición de engranajes para hacer rotar el caloriducto 14 alrededor del punto de pivote para alejar el extremo de evaporador del caloriducto 14 de la proximidad con la fuente 12 de calor. De nuevo en una realización alternativa, la unidad 21 de control de fluido comprende un mecanismo deslizante para reubicar/reposicionar el caloriducto 14.
Ahora se describirá un intercambiador 22 de calor según las realizaciones con referencia a la Figura 5. Una pluralidad de aletas 26a, 26b, 26c (generalmente 26) se fijan en un extremo a una placa aislante 24. Se muestran tres aletas 26, pero generalmente se entenderá que un intercambiador 22 de calor puede incluir una o más aletas 26. Las aletas 26 están hechas de un material con una conductividad térmica relativamente alta, tal como un metal, grafito u óxido de berilio. El metal es preferentemente un metal de densidad relativamente baja tal como titanio o aluminio, pero puede elegirse específicamente por sus propiedades de conducción térmica. El metal puede ser una aleación metálica. La placa aislante 24 está hecha de un material aislante de soporte estructural tal como fibra de carbono o cerámica. Si bien la placa aislante 24 evita la transferencia de calor a una parte o a un lado no deseado del vehículo, no es esencial. En cambio, las aletas 26 pueden acoplarse entre sí, o soportarse de otro modo dentro del intercambiador 22 de calor.
En la realización mostrada en la Figura 5, las aletas 26 están en voladizo, estando fijadas sólo en un extremo. Sin embargo, en otras realizaciones, las aletas pueden tener puntales de soporte que se extienden desde la superficie interior de la parte superior o de la parte inferior del intercambiador 22 de calor. Además, en algunas realizaciones, las aletas 26 están fijadas directamente a un lado de la pared interna del intercambiador 22 de calor. Cada aleta 26 comprende una primera parte para extender la aleta 26 lejos de la placa aislante 24. La primera parte en la orientación que se muestra en la Figura 5 es paralela al plano horizontal del vehículo. En otras palabras, la primera parte es sustancialmente horizontal. Sin embargo, en otras realizaciones, la primera parte puede estar en ángulo con respecto al plano horizontal, por ejemplo, en hasta 60 grados. Cada aleta 26 también comprende una segunda parte sustancialmente alineada con el recubrimiento del vehículo que rodea el intercambiador 22 de calor. En otras palabras, una segunda parte de las aletas 26 se adapta a los contornos del cuerpo del vehículo para minimizar la resistencia y/o de tal manera que el cuerpo mantiene un perfil de perfil aerodinámico para la generación de sustentación. Cada primera parte está acoplada a cada segunda parte por una parte doblada o curvada de la aleta 26 respectiva.
Las aletas 26 están dispuestas de manera que existe una abertura relativamente pequeña 28a, 28b (generalmente 28) entre el extremo libre de una de las aletas 26 y el cuerpo del vehículo. Es más, en realizaciones en las que hay una pluralidad de aletas 26, cada aleta 26 adyacente está dispuesta de manera que existe una abertura relativamente pequeña 28a entre el extremo libre de una aleta 26a y la segunda parte de la siguiente aleta 26b sustancialmente alineada con el cuerpo del vehículo. Las aberturas 28 son pequeñas en relación con la altura del intercambiador 22 de calor.
Las aberturas 28 proporcionan aislamiento entre las aletas 26 para minimizar la conducción desde las aletas 26 adyacentes, pero con una turbulencia mínima, reduciendo así la resistencia adicional sobre el vehículo generada por tener una superficie abierta. Las aberturas 28 también permiten el escape de aire entre las aletas 26 para “ absorber” el aire más caliente entre las aletas 26.
El extremo de condensador del caloriducto 14 se extiende a través de cada una de las aletas 26 de manera que el calor es absorbido eficientemente por las aletas 26. El caloriducto 14 se extiende a través de la primera parte de las aletas 26.
Los términos “vertical” , “ parte superior” y “ horizontal” se definen en relación con el plano horizontal principal del vehículo. La Figura 5 supone la parte inferior de la página alineada con el plano horizontal del vehículo, que puede ser una aeronave 100 como se describió anteriormente. Por ejemplo, si la nariz de la aeronave 100 apunta directamente hacia arriba, alejándose del suelo, la primera parte de las aletas 26 seguirá considerándose sustancialmente horizontal.
Del mismo modo, se entiende fácilmente que la placa aislante 24 puede estar dispuesta horizontalmente en lugar de como se muestra en la Figura 5. Por ejemplo, esto puede ocurrir cuando el intercambiador 22 de calor está dispuesto en una superficie superior o inferior del miembro 6 de ala. En este caso, la primera parte de la aleta 26 está dispuesta verticalmente con respecto al plano horizontal de la aeronave 100.
La Figura 6 muestra una vista en perspectiva de un intercambiador 22 de calor incorporado en una deriva 10 vertical de una aeronave 100. La deriva 10 incluye una cavidad en la que se insertan las aletas 26. El tamaño de la abertura de la cavidad (es decir, el área de superficie externa del intercambiador 22 de calor) se elige para optimizar el peso y la eficiencia de transferencia de calor. Por ejemplo, puede usarse una función de costes para determinar las dimensiones de la cavidad y/o el número de intercambiadores 22 de calor. En una aeronave HALE 100, por ejemplo, donde el recubrimiento de la aeronave está formado predominantemente por materiales aislantes ligeros, el intercambiador 22 de calor pesará más por área unitaria que el recubrimiento circundante y, por lo tanto, la extensión del intercambiador 22 de calor debe reducirse al mínimo. Sin embargo, cuanto mayor sea el intercambiador 22 de calor, más calor se disipará por unidad de tiempo y, por lo tanto, una cavidad más grande en la deriva 10puede ser óptima si hay una pluralidad de fuentes 12 de calor y/o la velocidad de aumento de temperatura es alta. En la realización mostrada en la Figura 6, el intercambiador 22 de calor se extiende a través de la mayor parte del área de superficie de la deriva 10.
Cuando se orientan hacia el intercambiador 22 de calor ortogonalmente a su plano vertical, las aberturas 28 no serían visibles debido a que la segunda parte de una aleta 26a se superpone a la segunda parte de la aleta 26b adyacente. La posición y el grado de las aberturas 28 están exagerados en la Figura para facilitar la referencia.
Mediante la superposición de las segundas partes de las aletas 26 y la inclinación de esas partes de manera que están sustancialmente alineadas con el plano del cuerpo circundante de la aeronave 100 (en este caso, la deriva 10), las segundas partes de las aletas 26 se convierten efectivamente en parte del recubrimiento de la aeronave 100 y tienden a no inhibir el flujo de aire sobre el cuerpo. En otras palabras, las segundas partes de las aletas están dispuestas para coincidir con el contorno del recubrimiento adyacente a la abertura de la cavidad.
Cuando el intercambiador 22 de calor se incorpora en el miembro 6 de ala o en el plano 6 horizontal de cola, las segundas partes de las aletas 26 forman parte de un perfil aerodinámico.
Las Figuras 7a y 7b muestran vistas en sección transversal a través de la deriva 10 mostrada en la Figura 6. Las Figuras 6, 7a y 7b no están dibujadas a escala. La Figura 7a es una vista del lado izquierdo de la deriva 10. El lado izquierdo comprende una cavidad que tiene la segunda rama 14b dispuesta en la misma. La segunda rama 14b sigue un patrón ondulado para maximizar su área de superficie dentro de la deriva 10.
Para facilitar la referencia, la Figura 7b no muestra todas las aletas 26 de la Figura 6. La primera rama 14a del extremo de condensador del caloriducto 14 se muestra dispuesta en el lado derecho de la deriva 10y la segunda rama 14b se muestra dispuesta en el lado izquierdo de la deriva 10. La primera rama 14a y la segunda rama 14b se recombinan en la parte inferior de la deriva 10, dentro del fuselaje 4, para formar el canal principal del caloriducto 14. Una única placa aislante 24 está dispuesta entre la primera rama 14a y la segunda rama 14b para separarlas. La placa aislante 24 es ventajosa en realizaciones donde los dos intercambios 22a, 22b de calor se gestionan por separado. En algunas realizaciones, sólo puede haber un único condensador (es decir, en lugar de ramas bifurcadas). En este caso, las aletas 26 pueden tener una primera parte a través de la cual se extiende el caloriducto 14. La primera parte es sustancialmente horizontal. Cada aleta 26 se pliega entonces sobre cualquier extremo de la primera parte creando un único intercambiador 22 de calor con dos caras expuestas a la atmósfera 24.
Aunque sólo se muestra un caloriducto 14 en las Figuras, se apreciará que se puede disponer una pluralidad de caloriductos en todo el vehículo para expulsar el calor de diferentes áreas del vehículo.
Las realizaciones en el presente documento han descrito el sistema de gestión térmica con referencia a una aeronave 100, con el intercambiador 22 de calor dispuesto en la deriva 10 de la aeronave. Sin embargo, se apreciará que se prevean otros tipos de implementaciones vehiculares. Por ejemplo, la construcción ligera del sistema de gestión térmica es fácilmente aplicable a los coches deportivos, por ejemplo, a los coches de Fórmula 1™, o a vehículos más ligeros que el aire. En un coche deportivo, por ejemplo, el intercambiador 22 de calor puede integrarse con el difusor o alerón trasero.
El lector apreciará que los números enteros o las características de la descripción que se describen como opcionales no limitan el alcance de las reivindicaciones independientes. Por otra parte, debe entenderse que dichos números enteros o características opcionales, aunque pueden ser beneficiosos en algunas realizaciones de la descripción, pueden no ser deseables y, por lo tanto, pueden estar ausentes en otras realizaciones.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un vehículo (100) que comprende:
un cuerpo que tiene un recubrimiento;
una fuente (12) de calor; y
un sistema de gestión térmica que comprende: un caloriducto (14) que comprende: un extremo de evaporador y un extremo de condensador;
un vapor dispuesto para fluir desde el extremo de evaporador hasta el extremo de condensador;
un fluido (16) de trabajo dispuesto para fluir desde el extremo de condensador hasta el extremo de evaporador, un primer sensor (19) de temperatura para medir la temperatura de la fuente de calor;
medios de traslación para hacer que el caloriducto realice una traslación de una primera configuración a una segunda configuración en respuesta a una señal de control, en donde, en la primera configuración, el extremo de evaporador está dispuesto cerca de la fuente de calor y, en la segunda configuración, el extremo de evaporador está dispuesto a una distancia mayor de la fuente de calor que en la primera configuración; y
un procesador (17) dispuesto para recibir una medición de temperatura del primer sensor de temperatura y para generar una señal de control para controlar los medios de traslación para realizar una traslación del caloriducto de la primera configuración a la segunda configuración o de la segunda configuración a la primera configuración dependiendo de si la temperatura es respectivamente inferior o superior a un umbral; en donde el caloriducto está dispuesto de manera que el extremo de evaporador está dispuesto cerca de la fuente de calor para absorber el calor de la fuente de calor; y uno o más intercambiadores (22a, 22b) de calor están dispuestos cerca del extremo de condensador y están integrados con el recubrimiento.
2. El vehículo según la reivindicación 1, en donde el caloriducto es telescópico y en donde los medios de traslación comprenden medios para extender o contraer de manera selectiva el caloriducto de manera que el extremo de evaporador se acerca o aleja respectivamente de la fuente de calor.
3. El vehículo según la reivindicación 1 o la reivindicación 2,
en donde los uno o más intercambiadores de calor comprenden cada uno una o más aletas dispuestas en una abertura en el cuerpo del vehículo,
en donde una parte de cada una de las una o más aletas está dispuesta para llenar sustancialmente la abertura y para adaptarse al contorno del recubrimiento adyacente que rodea la abertura para formar una parte del recubrimiento, y en donde el extremo de condensador del caloriducto está dispuesto de manera adyacente a cada una de las una o más aletas.
4. El vehículo según la reivindicación 3, en donde la parte de una primera de las aletas está separada de la parte de una segunda de las aletas de manera que se proporciona un entrehierro entre las aletas.
5. El vehículo según la reivindicación 3 o la reivindicación 4, que comprende un primer intercambiador de calor dispuesto en un primer lado del vehículo y un segundo intercambiador de calor dispuesto en un segundo lado del vehículo, siendo el primer lado sustancialmente opuesto al segundo lado, en donde una primera parte del extremo de condensador está dispuesta de manera adyacente a las una o más aletas del primer intercambiador de calor y una segunda parte del extremo de condensador está dispuesta de manera adyacente a las una o más aletas del segundo intercambiador de calor.
6. El vehículo según la reivindicación 5, que comprende:
un segundo sensor (19) de temperatura dispuesto en el primer lado del vehículo para medir la temperatura de la atmósfera cerca del primer intercambiador de calor;
un tercer sensor (19) de temperatura dispuesto en el segundo lado del vehículo para medir la temperatura de la atmósfera cerca del segundo intercambiador de calor;
medios de conmutación para dirigir de manera selectiva el flujo de vapor hacia el primer intercambiador de calor, el segundo intercambiador de calor, o ambos; y
un procesador (17) en comunicación eléctrica con los sensores de temperatura segundo y tercero, estando el procesador dispuesto para:
determinar cuál del primer lado y del segundo lado del vehículo es más frío, y generar una señal de control para controlar los medios de conmutación para dirigir el flujo de vapor al intercambiador de calor en el lado más frío del vehículo.
7. El vehículo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el vehículo es una aeronave que tiene una deriva y en donde el al menos un intercambiador de calor está integrado con la deriva.
8. El vehículo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el vehículo es una aeronave de gran altitud y gran autonomía.
9. El vehículo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el vehículo es un coche que tiene un alerón y en donde el al menos un intercambiador de calor está integrado con el alerón, de manera que la al menos una aleta forma una parte del recubrimiento del alerón.
10. Un método para gestionar la temperatura en un vehículo según la reivindicación 1, que comprende:
medir la temperatura de una fuente de calor;
generar una señal de control para controlar medios de traslación en función de la temperatura medida; y
controlar los medios de traslación para realizar una traslación del caloriducto a una primera configuración si la temperatura medida es superior a un umbral o a una segunda configuración si la temperatura medida es inferior a un umbral, en donde, en la primera configuración, el extremo de evaporador está cerca de la fuente de calor y, en la segunda configuración, el extremo de evaporador está dispuesto a una distancia mayor de la fuente de calor que en la primera configuración.
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