ITMI962631A1 - Parete conduttiva diodica - Google Patents
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Description
Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo:
''Parete conduttiva diodica".
Campo dell'invenzione
Il trovato consiste in una parete conduttiva diodica, ossia in una parete in materiale termicamente isolante delimitata da due superfici esterne termicamente conduttrici, collegate tra loro da uno o più diodi termici (costituiti da corpi tubolari accoppiati termicamente alle superfici esterne della parete conduttiva diodica ed almeno parzialmente riempiti con un fluido atto a trasferire il calore) che attraversano trasversalmente la parete in materiale termicamente isolante e che sono atti a trasferire in modo sostanzialmente unidirezionale il calore dall'una all'altra delle superfici esterne della parete conduttiva diodica.
Preferibilmente i diodi termici sono costituiti da due corpi metallici accoppiati termicamente alle superfici esterne della parete conduttiva diodica ed interconnessi da un corpo centrale termicamente isolante.
Tecnica anteriore
Sono noti nella tecnica dei dispositivi di raffreddamento mezzi (detti "heat pipes") utilizzati per prelevare calore da punti altrimenti difficilmente raggiungibili e costituiti da corpi metallici tubolari contenenti un fluido atto a trasferire il calore: il funzionamento degli "heat pipes" e le caratteristiche del fluido posto al loro interno non saranno descritti in questa sede perché in sé noti e comunque estranei allo scopo del presente trovato.
Sono altrettanto noti pannelli atti a consentire il passaggio del calore in modo (preferibilmente) unidirezionale.
Tali pannelli sono descritti, ad esempio, nell'articolo di R.K. Prudhoe e L. Doukas: "Thermal control of equipment enclosures -Design strategies for enhanced reliability" - INTELEC '93 “ Atti della 15ma Conferenza sull'energia nelle telecomunicazioni -Parigi, 27 - 30 Settembre 1993, tomo II, pagine 305~312.
Formano oggetto del presente trovato:
- un nuovo tipo di parete, detta "parete conduttiva diodica", che comprende almeno un corpo tubolare (o "diodo termico") contenente un fluido atto a trasferire il calore e che è atta a migliorare il passaggio del calore attraverso la parete stessa in modo (praticamente) unidirezionale;
- una forma preferita di realizzazione del suddetto diodo termico, che migliora le prestazioni della parete conduttiva diodica .
Sommario dell'invenzione
Forma oggetto del presente trovato una parete conduttiva diodica, comprendente una. parete in materiale termicamente isolante delimitata da due superfici esterne, termicamente conduttrici, collegate tra loro da uno o più diodi termici che attraversano trasversalmente la parete in materiale termicamente isolante. Un diodo termico trasferisce in modo sostanzialmente unidirezionale il calore dall'una all'altra delle superfici esterne della parete conduttiva diodica ed è costituito da un corpo tubolare accoppiato termicamente alle suddette superfici esterne ed almeno parzialmente riempito 'con un fluido atto a trasferire il calore.
In una forma preferita di realizzazione, il corpo tubolare del diodo termico è costituito da due corpi metallici (ciascuno dei quali è accoppiato termicamente ad una delle superfici esterne della parete conduttiva diodica) interconnessi mediante un corpo centrale termicamente isolante.
Elenco delle figure
Il trovato sarà ora meglio descritto con riferimento ad un esempio di realizzazione a carattere non limitativo illustrato nelle figure allegate, dove
- la figuraci mostra, in sezione, una parete conduttiva diodica secondo il trovato comprendente -due diodi termici;
- la figura 2 móstra uno dei diodi .termici di figura 1, realizzato secondo trovato;
- la figura 3 mostra schematicamente il contenitore utilizzato nell'esempio n. 1;
- la figura 4 mostra in sezione ed in pianta una possibile applicazione di pareti conduttive diodiche realizzate secondo il trovato.
Nelle figure allegate, gli elementi corrispondenti saranno identificati mediante gli stessi riferimenti numerici.
Descrizione dettagliata
La figura 1 mostra in sezione una parete conduttiva diodica 1, realizzata secondo il trovato, che è costituita da una parete 2 in materiale termicamente isolante (ad esempio: poliuretano espanso) delimitata da due superfici esterne (3, 4) termicamente conduttrici e collegate tra loro da una coppia di diodi termici 5 che attraversano trasversalmente la parete 2 in materiale termicamente isolante, consentendo al calore di fluire attraverso la parete conduttiva diodica 1 in modo (almeno teoricamente) unidirezionale .
In figura 1 sono visibili le superfici esterne (3. 4), costituite preferibilmente da due fogli in materiale metallico, che delimitano la parete conduttiva diodica 1, la parete 2 di materiale termicamente isolante che isola termicamente tra loro le superfici esterne (3. 4) della parete conduttiva diodica 1 ed una coppia di diodi termici 5. termicamente connessi alle suddette superfici esterne (3. 4), rispetto alle quali sono inclinati.
In una possibile forma di realizzazione della parete conduttiva diodica 1 (non illustrata nelle figure), i diodi termici 5 sono costituiti da un corpo metallico tubolare (almeno parzialmente riempito con il fluido atto a trasferire il calore) le cui estremità sono accoppiate termicamente alle superfici esterne (3.
4) della parete conduttiva diodica 1.
Tale corpo metallico tubolare costituisce (o può costituire) un "ponte termico" lungo il quale il calore transita (o può transitare) nei due sensi, il che incide .negativamente sull'affidabilità e sull'efficienza sia di tale diodo termico 5 sia di una parete conduttiva diodica realizzata mediante tale tipo di diodi termici 5-In una forma preferita di realizzazione la parete conduttiva diodica 1 comprende almeno un diodo termico 5 realizzato secondo il trovato (figura 2) in cui (per migliorare le prestazioni del diodo termico 5 e della parete conduttiva diodica 1) il corpo metallico tubolare è costituito da due corpi metallici 6 raccordate tra loro da un corpo 7 termicamente isolante: si evita così il suddetto "ponte termico".
In figura 1 le estremità dei diodi .termici" 5 accoppiate termicamente alla superficie esterna 3 sono poste più in basso di quelle accoppiate termicamente alla superficie esterna 4: i diodi termici 5 sono perciò atti a trasferire il calore dalla superficie esterna 3 alla superficie esterna 4, mentre non sono (praticamente) atti a trasferirlo in senso inverso (dalla superficie esterna 4 alla superficie esterna 3)·
Si descrive ora sommariamente il funzionamento dei diodi termici 5 per trasferire il calore dalla superficie esterna 3 alla superficie esterna 4, nell'ipotesi che la temperatura della superficie esterna 3 sia più elevata di quella della superficie esterna 4.
A contatto con la superficie esterna 3i il fluido contenuto nel diodo termico 5 si riscalda (sottraendo calore alla superficie esterna 3). si porta a contatto con la superficie esterna 4 (cui cede il calore sottratto alla superficie esterna 3) e torna verso la superficie esterna 3: la superficie esterna 4 dissipa nell'ambiente (o in altro modo in sé noto) il calore cedutole dal fluido.
Il fatto che il diodo termico 5 sia stato montato inclinato come illustrato in figura 1 asseconda la corretta circolazione del fluido nel diodo stesso (il fluido riscaldato tende a salire, quello più freddo tende a scendere), mentre si oppone alla circolazione del fluido nel caso (indesiderato) che la temperatura della superficie esterna 3 divenga per qualsiasi motivo inferiore a quella della superficie esterna 4.
L'inclinazione del diodo termico 5 rispetto alle superfici esterne 3 e 4 può essere di circa 45° e comunque compresa tra 10° e 80°.
Nell'esempio di realizzazione qui descritto, perché il fluido possa circolare nel diodo termico 5 è necessario che:
i) a contatto con la superficie esterna 3. più calda, il fluido aumenti di volume (con o senza cambiamento di stato);
ii) a contatto con la superficie esterna 4, più fredda, il volume del fluido diminuisca (con o senza cambiamento di stato);
iii) la differenza di temperatura tra le superfici esterne 3 e 4 sia sufficiente a "sostenere" la circolazione del fluido;
iv) la temperatura della superficie esterna 4, più fredda, sia non inferiore ad un valore limite, sotto il quale il fluido diventa troppo viscoso per poter circolare nel diodo termico 5, oppure non cambia stato.
Quest'ultima costituisce un'importante caratteristica del trovato: quando la temperatura della superficie esterna più fredda della parete conduttiva diodica 1 scende al di sotto del suddetto valore limite, diverso a seconda del fluido impiegato, il diodo termico 5 si "interdice", impedendo che venga sottratto ulteriore calore alla superficie esterna più calda della parete conduttiva diodica 1 anche se la differenza dì temperatura tra le due superfici esterne sarebbe sufficiente a "sostenere" la circolazione del fluido nel diodo termico 5-Tale caratteristica risulta vantaggiosa, ad esempio, se la parete conduttiva diodica 1 costituisce una delle pareti di un contenitore, la cui temperatura interna (la temperatura della superficie esterna 3) non scenderà ulteriormente .quando e per tutto il tempo in cui la temperatura dell’ambiente esterno (la temperatura della superficie esterna 4) scende'al di sotto del suddetto valore limite, prefissato scegliendo opportunamente il fluido presente nei dìodi termici 5·
A puro titolo di esempio, se tale fluido atto a trasferire il calore è acqua il corrispondente valore limite è di 4 C°, se tale fluido è acqua giocolata 12% il corrispondente valore limite è di - 5 C°. se tale fluido è fluorocarbonio il corrispondente valore limite è di 30 C°.
La figura 2 mostra uno dei diodi termici 5 di figura 1, realizzato secondo il trovato: in figura 2 sono visibili i corpi metallici 6, accoppiati termicamente alle superfici esterne (3.
4) della parete conduttiva diodica 1; il corpo centrale 7. termicamente isolante, che interconnette tra loro i corpi metallici 6; le piastre metalliche 8, interposte tra le superfici esterne (3. 4) della parete conduttiva diodica 1 e l’estremità del corrispondente corpo metallico 6 per aumentare la superficie di contatto tra le superfici esterne (3. 4) della parete conduttiva diodica 1 ed il corrispondente corpo-metallico 6 e migliorarne l'accoppiamento termico.
Preferibilmente (ma non necessariamente) il corpo centrale 7» termicamente isolante, è realizzato in gomma o altro materiale deformabile: ciò risulta vantaggioso poiché consente di riempire (quasi) completamente il diodo termico 5 (migliorandone l'efficienza) con un fluido (ad esempio un gas) che si dilata notevolmente quando riscaldato oppure con un fluido (ad esempio acqua) che cambia di volume quando cambia di stato, evitando ogni rischio di rottura e/o danneggiamento del diodo termico 5 a seguito di tale dilatazione oppure di tale cambiamento di stato.
Se un diodo termico 5 non comprende un corpo centrale 7 e/o se tale corpo 7 non è realizzato in materiale deformabile, per evitare ogni rischio di rottura e/o danneggiamento del diodo termico 5 a seguito di una dilatazione oppure di un cambiamento di stato del fluido contenuto nel diodo termico non è possibile riempire (quasi) completamente di fluido il diodo stesso, il che ne riduce l'efficienza a parità delle altre condizioni.
Le caratteristiche di un diodo termico 5 realizzato secondo il trovato ed i vantaggi ottenibili utilizzando pareti conduttive diodiche 1 (ed in particolare pareti conduttive diodiche 1 comprendenti diodi termici 5 secondo ·il trovato) al posto di pareti in materiale isolante di tipo tradizionale risulteranno evidenti dal seguente esempio, non limitativo, e dalle seguenti applicazioni .
Esempio n° 1.
Sono stati realizzati cinque contenitori cubici C (figura 3), al cui interno è stata posta una sorgente di calore W, costante, di 15 W.
Il primo contenitore comprende cinque facce di lato 500 mm costituite da pareti conduttive diodiche (superfici esterne in alluminio, spessore 3 mm; parete isolante: 60 mm di poliuretano espanso) . ciascuna delle quali comprende 4 diodi termici (comprendenti un corpo centrale termicamente isolante) contenenti acqua, mentre la sesta parete (il pavimento) è costituita da una parete isolante in poliuretano espanso.
Il secondo contenitore differisce dal primo per il solo fatto di non comprendere i diodi termici.
Il terzo contenitore differisce dal primo per il solo fatto che i diodi termici sono costituiti da un unico corpo metallico.
Il quarto contenitore differisce dal primo per il solo fatto che i diodi termici (comprendenti un corpo centrale termicamente isolante) sono montati "invertiti" rispetto a quelli del -contenitore 1. - . ’
Il quinto contenitore, comprendente cinque facce di lato 380 mm in lamiera d'alluminio spessore 3 nim, corrisponde all'involucro interno del primo contenitore privato delle pareti isolanti e delle superfici esterne delle pareti conduttive diodiche (il pavimento è costituita da una parete isolante in poliuretano espanso) . .
Mantenendo a valori prefissati la temperatura ambiente Ta, si sono misurate (in °C) le temperature (Tl, T2, T3, T4 e T5, rispettivamente) all'interno dei cinque contenitori; i risultati delle serie di misure sono raccolti nella seguente tabella:
Da tale tabella si rileva che:
- i diodi termici comprendenti un corpo centrale termicamente ìsolante limitano la temperatura interna del contenitore {colonna 1) e la differenza di temperatura rispetto all'ambiente (colonna 6) se Ta » 0 °C, limitano l'escursione della temperatura interna del contenitore se Ta ≤ 0 °C;
- se i diodi termici sono assenti, costituiti da un unico corpo metallico o montati "invertiti" oppure se il contenitore (contenitore 5) non comprende pareti conduttive diodiche né pareti isolanti, la differenza di temperatura rispetto all'ambiente (colonne 7. 8. 9 e 10, rispettivamente) rimane pressoché costante: l'escursione della temperatura interna del contenitore (colonne 2, 3. 4 e 5. rispettivamente) segue quella della temperatura ambiente Ta;
- i diodi termici costituiti da un unico corpo metallico sono atti a limitare la temperatura interna del contenitore (colonna 3) se Ta » 0 °C, ma (a causa del "ponte termico" dovuto al loro corpo interamente metallico) non sono atti a limitare l'escursione della temperatura interna del contenitore se Ta ≤ 0°C;
- si possono verificare i vantaggi ottenibili utilizzando diodi termici comprendenti un corpo centrale termicamente isolante al posto di diodi termici costituiti da un unico corpo metallico confrontando tra loro le colonne 1 e 3. rispettivamente le colonne 6 e 8;
- se i diodi termici sono montati "invertiti", si ottengono effetti analoghi a quelli ottenuti se i diodi termici sono assenti, come si può verificare confrontando tra loro le colonne 2 e 4, rispettivamente le colonne 7 e 9;
- se il contenitore non comprende pareti conduttive diodiche né pareti isolanti (contenitore 5), la differenza di temperatura rispetto all’ambiente (colonna 10) è molto bassa e l'escursione della temperatura interna del contenitore (colonna 5) segue quella della temperatura ambiente Ta.
La figura 4 mostra in sezione ed in pianta·una possibile applicazione di pareti conduttive diodiche 1 realizzate secondo il trovato.
In figura 4 è visibile-un serbatoio d'acqua S, posizionato in modo da essere esposto ai raggi solari per tutta la giornata, in cui tre pareti sono realizzate mediante pareti conduttive diodiche 1 (protette da pannelli in materiale trasparente), mentre ·la quarta parete N (nell'emisfero Nord, quella esposta a Nord) è realizzata mediante un pannello isolante di tipo tradizionale . ;
Nell'arco della giornata le pareti 1 sono -a turno esposte ai raggi solari ed i loro diodi termici 5 (uno solo dei quali è stato evidenziato in figura 4 per semplicità di rappresentazione grafica) consentono'al calore del sole di penetrare all'interno del serbatoio S riscaldando l'acqua in esso contenuta, mentre impediscono al calore immagazzinato nel serbatoio S di sfuggire durante la notte.
Applicando al serbatoio S le pareti conduttive diodiche 1 si è ottenuto in modo semplice ed economico un efficiente collettore solare che è atto ad immagazzinare calore durante l'intera giornata, evitando i costi derivanti dall'acquisto e dalla messa in opera di un apposito pannello, dei relativi collegamenti idraulici e delle valvole di non ritorno indispensabili per impedire perdite di calore durante la notte.·.
Pareti conduttive diodiche secondo il trovato possono essere inoltre vantaggiosamente utilizzati nei sistemi di condizionamento ambientale attivo (che comprendono un condizionatore d'aria) oppure passivo (privi di condizionatore d'aria), non illustrati nelle figure.
Le pareti conduttive diodiche 1 si comportano come isolanti termici per temperature esterne maggiori di quelle interne e, comunque, a basse temperature e come conduttori di calore per temperature esterne minori di quelle interne; in un sistema di condizionamento ambientale attivo, quando il condizionatore d'aria ha portato la temperatura ambiente al valore desiderato, le pareti conduttive diodiche contribuiscono a mantenere tale valore di temperatura, riducendo il tempo di funzionamento del motore del condizionatore d'aria e, di conseguenza, i relativi costi di gestione.
Nei prefabbricati, le pareti esposte al sole reiettano la radiazione solare, mentre quelle in ombra emettono il calore presente all'interno del prefabbricato quando la temperatura all'esterno della parete lo consente (la temperatura esterna è minore di quella interna) , riducendo la sovratemperatura all'interno del prefabbricato dovuta alla radiazione solare e, di conseguenza, la necessità di un condizionatore d’aria e/o il suo tempo di funzionamento.
Senza uscire dall'ambito del trovato è possibile per un tecnico apportare alla parete conduttiva diodica oggetto della presente descrizione tutte le modifiche ed i perfezionamenti suggeriti dalla normale esperienza e dalla naturale evoluzione della tecnica.
Claims (4)
- RIVENDICAZIONI 1) Parete conduttiva diodica, caratterizzata dal fatto di comprendere una parete (2) in materiale termicamente isolante delimitata da due superfici esterne (3. 4), termicamente conduttrici, collegate tra loro da almeno un diodo termico (5) che attraversa trasversalmente detta parete (2) in materiale termicamente isolante, detto almeno un diodo termico (5) trasferendo in modo sostanzialmente unidirezionale il calore dall'una all'altra di dette superfici esterne (3, 4) di detta parete conduttiva diodica (1) ed essendo costituito da un corpo tubolare accoppiato termicamente a dette superfici esterne (3, 4) di detta parete conduttiva diodica (1) ed almeno parzialmente riempito con un fluido atto a trasferire detto calore.
- 2) Parete come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto corpo tubolare di detto almeno un diodo termico (5) è costituito da due corpi metallici (6), ciascuno dei quali è accoppiato termicamente ad una di dette superfici esterne (3. 4) di detta parete conduttiva diodica (1), detti corpi metallici (6) essendo raccordati da un corpo centrale (7) termicamente isolante.
- 3) Parete come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto corpo centrale (7) termicamente isolante è realizzato in materiale deformabile.
- 4) Parete come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto almeno un diodo termico (5) è costituito da un corpo metallico avente le estremità accoppiato termicamente,' rispettivamente, ad una di dette superfici estèrne (3. 4) di detta parete conduttiva diodica (1), 5) Parete come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto dal fatto di comprendere inoltre piastre metalliche (8) interposte tra dette superfici esterne (3. 4) di detta parete conduttiva diodica (1) e le estremità di ciascuno di detti almeno un diodo termico (5)· 6) Parete come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti almeno un diodo termico (5) sono montati inclinati in detta parete (2) in materiale termicamente isolante, le estremità di ciascuno di detti almeno un diodo termico (5) accoppiate termicamente con detta superficie esterna (4, rispettivamente 3) di detta parete conduttiva diodica (1) cui detto diodo termico (5) trasferisce detto calore essendo posizionate più in alto rispetto alle estremità di ciascuno di detti almeno un diodo termico (5) accoppiate termicamente con detta superficie esterna (3. rispettivamente 4) di detta parete conduttiva diodica (1) da cui detto diodo ‘termico .(5)-preleva detto calore. 7) Parete come alla rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che l'inclinazione di detto almeno un diodo termico (5) rispetto a dette superfici esterne (3, 4) di détta parete conduttiva diodica (1) è compresa tra 10° e 80°. 8) Parete come alla rivendicazione 7> caratterizzata dal fatto che detta inclinazione di detto almeno un diodo termico (5) rispetto a dette superfici esterne (3, 4) di detta parete conduttiva diodica (1) è di circa 45° 9) Parete come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto almeno un diodo termico (5) non trasferisce detto calore quando la temperatura di detta superficie -esterna (4, rispettivamente 3) di detta parete conduttiva diodica (1) cui detto diodo termico (5) trasferisce detto calore scende al di sotto di un valore limite prefissato 10) Parete come alla rivendicazione 9 in cui detto fluido atto a trasferire detto calore è acqua, caratterizzata dal fatto che detto valore limite prefissato è di 4 C°. 11) Parete come alla rivendicazione 9 in cui detto fluido atto a trasferire detto calore è acqua giocolata 12%, caratterizzata dal fatto che detto valore limite prefissato è di - 5 C°. 12) Parete come alla rivendicazione 9 in cui detto fluido atto a trasferire detto calore è fluorocarbonio, caratterizzata dal fatto che detto valore limite prefissato è di 30 C°.
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