ITTO20130873A1

ITTO20130873A1 - Circuito di raffreddamento/riscaldamento a fluido bifase con valvole di controllo del flusso sensibili alla temperatura

Info

Publication number: ITTO20130873A1
Application number: IT000873A
Authority: IT
Inventors: Antonio Moscatelli
Original assignee: Alenia Aermacchi Spa
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2015-04-30
Also published as: EP2869014B1; US10337803B2; US20150114607A1; EP2869014A1; ES2625061T3

Description

"Circuito di raffreddamento/riscaldamento a fluido bifase con valvole di controllo del flusso sensibili alla temperatura"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un circuito di raffreddamento/riscaldamento a fluido bifase, comunemente noto come circuito LHP (Loop Heat Pipe).

I circuiti LHP sono comunemente utilizzati soprattutto nel settore aerospaziale e nel settore aeronautico (in particolare aeronautica militare) per le loro caratteristiche di affidabilità, efficacia, peso ridotto e basso costo, ma soprattutto per il fatto di essere circuiti completamente passivi e dunque di non richiedere energia dall'esterno. Com'è noto, un circuito LHP comprende fondamentalmente un dispositivo evaporatore avente una prima e una seconda porzione che contengono il fluido bifase e che comunicano l'una con l'altra attraverso un setto poroso. Nella prima porzione, avente la funzione di serbatoio o camera di compensazione, il fluido è in fase liquida, mentre nella seconda porzione, che svolge la vera e propria funzione di evaporatore e che a tale scopo è posta a contatto con un corpo da raffreddare (di qui in avanti indicato come corpo caldo) in modo da ricevere calore da tale corpo, il fluido è in fase vapore. Il fluido si muove per capillarità dalla prima alla seconda porzione del dispositivo evaporatore attraverso il setto poroso e ritorna poi dalla seconda porzione alla prima scorrendo lungo un condotto e attraversando un dispositivo condensatore (realizzato ad esempio sotto forma di serpentina), dove si ha il passaggio da fase vapore a fase liquida. Il dispositivo condensatore può essere vantaggiosamente utilizzato per cedere calore a un corpo da riscaldare (di qui in avanti indicato come corpo freddo), in maniera tale per cui il circuito è in grado di svolgere contemporaneamente entrambe le funzioni di raffreddamento e di riscaldamento. Come già accennato, il movimento del fluido bifase lungo il circuito avviene per effetto della spinta capillare che il fluido riceve nel passaggio attraverso il setto poroso del dispositivo evaporatore. Non vi è dunque bisogno di alcuna pompa o altro dispositivo alimentato dall'esterno per garantire il flusso del fluido lungo il circuito, con indubbi vantaggi sia in termini di costi di realizzazione e di esercizio, sia in termini di affidabilità del sistema.

La presente invenzione si propone di fornire un circuito di raffreddamento/riscaldamento del tipo sopra identificato, che sia in grado di controllare la portata del fluido, e dunque di interrompere l'azione di raffreddamento/riscaldamento al raggiungimento di una determinata soglia di temperatura minima/massima, in modo completamente passivo, cioè senza necessitare di componenti motorizzati e/o di sistemi di controllo elettrici/elettronici.

Questo e altri scopi sono pienamente raggiunti secondo la presente invenzione grazie a un circuito di raffreddamento/riscaldamento avente le caratteristiche definite nella parte caratterizzante dell'annessa rivendicazione indipendente 1.

Ulteriori caratteristiche vantaggiose dell'invenzione sono indicate nelle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto è da intendersi come parte integrale e integrante della descrizione qui di seguito fornita.

In sintesi, l'invenzione si fonda sull'idea di munire il circuito di primi e/o secondi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura, in cui detti primi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura sono configurati per interrompere o consentire il flusso del fluido nel circuito quando la temperatura del corpo caldo è inferiore, o rispettivamente superiore, a un dato primo valore di soglia, e in cui detti secondi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura sono configurati per interrompere o consentire il flusso del fluido nel circuito quando la temperatura del corpo freddo è superiore, o rispettivamente inferiore, a un dato secondo valore di soglia.

Come risulterà chiaro dalla descrizione che segue, con l'espressione "valore di soglia" è da intendersi non solo, o meglio non tanto, un ben preciso valore di temperatura, quanto piuttosto un certo intervallo di temperatura (più o meno ampio a seconda della sensibilità alla temperatura da parte di tali mezzi di controllo del flusso) intorno a tale valore di temperatura.

Grazie al fatto di avere primi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura così configurati, il circuito secondo l'invenzione è in grado autonomamente, cioè senza bisogno di comando dall'esterno, di interrompere l'azione di raffreddamento del corpo caldo quando la temperatura di quest'ultimo è scesa sotto il suddetto primo valore di soglia e di riavviarla quando la temperatura del corpo caldo è risalita oltre l suddetto primo valore di soglia.

Grazie al fatto di avere secondi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura così configurati, il circuito secondo l'invenzione è in grado autonomamente di interrompere l'azione di riscaldamento del corpo freddo quando la temperatura di quest'ultimo ha superato il suddetto secondo valore di soglia e di riavviarla quando la temperatura del corpo freddo è scesa al di sotto del suddetto secondo valore di soglia.

Preferibilmente, i primi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura comprendono almeno una valvola ad espansione termica che è posta in prossimità del corpo caldo, a monte o a valle del dispositivo evaporatore, in modo da essere sensibile alla temperatura di tale corpo, ed è spostabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa, in cui rispettivamente consente e impedisce il flusso del fluido lungo il circuito, a seconda che la temperatura del corpo caldo sentita dalla valvola sia rispettivamente superiore o inferiore al suddetto primo valore di soglia. In questo modo, il circuito passa in modo autonomo e automatico, a seconda della temperatura del corpo caldo sentita dalla/e prima/e valvola/e ad espansione termica, dalla condizione aperta, in cui il fluido scorre lungo il circuito e quindi svolge l'azione di raffreddamento del corpo caldo, alla condizione chiusa, in cui non c'è flusso lungo il circuito e quindi l'azione di raffreddamento del corpo caldo è interrotta.

Preferibilmente, il circuito comprende due valvole ad espansione termica del tipo sopra indicato (cioè del tipo "ad apertura per riscaldamento"), che sono poste l'una a monte e l'altra a valle del dispositivo evaporatore. In questo modo, quando entrambe queste valvole sono nella posizione chiusa è possibile smontare la sezione del circuito interposta fra tali valvole, ad esempio per sostituire il dispositivo evaporatore o per eseguire operazioni di manutenzione sullo stesso, senza bisogno di svuotare l'intero circuito.

In modo analogo, i secondi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura comprendono preferibilmente almeno una valvola ad espansione termica che è posta in prossimità del corpo freddo, a monte o a valle del dispositivo condensatore, in modo da essere sensibile alla temperatura di tale corpo, ed è spostabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa, in cui rispettivamente consente e impedisce il flusso del fluido lungo il circuito, a seconda che la temperatura del corpo freddo sentita dalla valvola sia rispettivamente inferiore o superiore al suddetto secondo valore di soglia. In questo modo, il circuito passa in modo autonomo e automatico, a seconda della temperatura del corpo freddo sentita dalla/e seconda/e valvola/e ad espansione termica, dalla condizione aperta, in cui il fluido scorre lungo il circuito e quindi svolge l'azione di riscaldamento del corpo freddo, alla condizione chiusa, in cui non c'è flusso lungo il circuito e quindi l'azione di riscaldamento del corpo freddo è interrotta.

Preferibilmente, il circuito comprende due valvole ad espansione termica del tipo sopra indicato (cioè del tipo "ad apertura per raffreddamento"), che sono poste l'una a monte e l'altra a valle del dispositivo condensatore. In questo modo, quando entrambe queste valvole sono nella posizione chiusa è possibile smontare la sezione del circuito interposta fra tali valvole, ad esempio per sostituire il dispositivo condensatore o per eseguire operazioni di manutenzione sullo stesso, senza bisogno di svuotare l'intero circuito.

Le valvole ad espansione termica utilizzate per controllare il flusso del fluido bifase lungo il circuito secondo l'invenzione possono essere di vari tipi noti, ad esempio valvole a gas, valvole a liquido o ancora valvole a lamina bimetallica.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione dettagliata che segue, data a puro titolo di esempio non limitativo con riferimento ai disegni allegati, in cui:

la figura 1 è una vista schematica di un circuito di raffreddamento/riscaldamento a fluido bifase secondo la presente invenzione;

le figure 2 e 3 sono viste in sezione di due esempi di valvole ad espansione termica del tipo a gas, rispettivamente ad apertura per riscaldamento e ad apertura per raffreddamento, utilizzabili in un circuito di raffreddamento/riscaldamento a fluido bifase secondo la presente invenzione;

le figure 4 e 5 sono viste in sezione di due esempi di valvole ad espansione termica del tipo a liquido, rispettivamente ad apertura per riscaldamento e ad apertura per raffreddamento, utilizzabili in un circuito di raffreddamento/riscaldamento a fluido bifase secondo la presente invenzione; e

le figure 6a, 6b e 7a, 7b sono viste in sezione di due esempi di valvole ad espansione termica del tipo a lamina bimetallica, rispettivamente ad apertura per riscaldamento e ad apertura per raffreddamento, utilizzabili in un circuito di raffreddamento/riscaldamento a fluido bifase secondo la presente invenzione, ciascuno dei due tipi di valvola essendo mostrato sia nella posizione chiusa sia nella posizione aperta.

La figura 1 dei disegni allegati mostra schematicamente un circuito di raffreddamento/riscaldamento a fluido bifase secondo l'invenzione (di seguito indicato, per semplicità, anche come circuito LHP), destinato a essere utilizzato per raffreddare un corpo caldo CC e riscaldare un corpo freddo CF.

Come già spiegato in precedenza con riferimento alla tecnica nota, il circuito comprende fondamentalmente un dispositivo evaporatore 10 posto in prossimità del corpo caldo CC (ad esempio a contatto con questo), un dispositivo condensatore 12 posto in prossimità del corpo freddo CF (ad esempio a contatto con questo), un primo condotto 14 (schematicamente rappresentato con una freccia che indica il verso del flusso del fluido) attraverso cui un fluido scorre dal dispositivo evaporatore 10 al dispositivo condensatore 12 e un secondo condotto 16 (anch'esso schematicamente rappresentato con una freccia che indica il verso del flusso del fluido) attraverso cui il fluido scorre dal dispositivo condensatore 12 al dispositivo evaporatore 10. Esempi di fluidi bifase tipicamente utilizzati come fluidi di lavoro in circuiti LHP sono l'acqua, l'ammoniaca e il propilene, ma è chiaro che la presente invenzione non è limitata all'utilizzo di uno specifico fluido bifase.

In modo per sé noto, il dispositivo evaporatore 10 comprende nell'ordine, secondo il verso del flusso del fluido lungo il circuito, una prima porzione 18, un setto poroso 20 e una seconda porzione 22, in maniera tale per cui le due porzioni 18 e 22 comunicano l'una con l'altra attraverso il setto poroso 20. La prima porzione 18, che è in comunicazione di fluido con il secondo condotto 16, ha la funzione di serbatoio o camera di compensazione e contiene il fluido in fase liquida. La seconda porzione 22, che è in comunicazione di fluido con il primo condotto 14, svolge la vera e propria funzione di evaporatore e contiene il fluido in fase vapore. A tale scopo, la seconda porzione 22 è predisposta per ricevere calore dal corpo caldo CC, in particolare essendo a contatto con tale corpo. Come già spiegato nella parte introduttiva della descrizione, il fluido si muove dalla prima porzione 18 alla seconda porzione 22 del dispositivo evaporatore 10, e da qui lungo la rimanente parte del circuito, per tornare infine alla prima porzione 18, per effetto della spinta capillare cui è soggetto all'interno del setto poroso 20.

Il dispositivo condensatore 12 comprende nell'ordine, secondo il verso del flusso del fluido lungo il circuito, una porzione di monte 24, che è in comunicazione di fluido con il primo condotto 14, una porzione intermedia 26, che trasmette calore al corpo freddo CF, essendo ad esempio a contatto con questo, e una porzione di valle 28, che è in comunicazione di fluido con il secondo condotto 16. La porzione intermedia 26 può essere ad esempio realizzata sotto forma di serpentina, ma ciò non è vincolante ai fini della presente invenzione.

Il funzionamento del circuito sopra descritto è dunque il seguente.

Il fluido in fase liquida contenuto nella prima porzione 18 del dispositivo evaporatore 10 attraversa per capillarità il setto poroso 20 e raggiunge la seconda porzione 22 di tale dispositivo, dove per effetto del calore ricevuto dal corpo caldo CC passa in fase vapore. Il fluido in fase vapore scorre poi dal dispositivo evaporatore 10 al dispositivo condensatore 12 lungo il primo condotto 14. Nel passaggio attraverso il dispositivo condensatore 12, in particolare attraverso la porzione intermedia 26 di quest'ultimo, il fluido cede calore (utilizzato per scaldare il corpo freddo CF) e passa così dalla fase vapore alla fase liquida, per tornare infine, attraverso il secondo condotto 16, nuovamente alla prima porzione 18 del dispositivo evaporatore 10.

Secondo l'invenzione, il circuito di raffreddamento/riscaldamento comprende inoltre primi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura, che sono associati al corpo caldo CC e sono configurati per interrompere o consentire il flusso del fluido nel circuito quando la temperatura di tale corpo è inferiore, o rispettivamente superiore, a un dato primo valore di soglia, e/o secondi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura, che sono associati al corpo freddo CF e sono configurati per interrompere o consentire il flusso del fluido nel circuito quando la temperatura di tale corpo è superiore, o rispettivamente inferiore, a un dato secondo valore di soglia. Nell'esempio di realizzazione mostrato nella figura 1 il circuito comprende sia i primi sia i secondi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura, ma potrebbero comunque essere presenti solo gli uni o solo gli altri.

Secondo una forma di realizzazione, i primi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura comprendono due valvole ad espansione termica, rispettivamente indicate con 30 e 32, che sono poste in prossimità del corpo caldo CC, rispettivamente a monte e a valle del dispositivo evaporatore 10, in modo da essere sensibili alla temperatura di tale corpo per controllare il flusso del fluido nel circuito a seconda di tale temperatura. Più specificamente, la prima valvola 30 è interposta fra il secondo condotto 16 e la prima porzione 18 del dispositivo evaporatore 10, mentre la seconda valvola 32 è interposta fra la seconda porzione 22 del dispositivo evaporatore 10 e il primo condotto 14.

Ciascuna delle valvole 30 e 32 è spostabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa, in cui rispettivamente consente e impedisce il flusso del fluido attraverso di essa, lo spostamento da una posizione all'altra dipendendo dalla temperatura sentita dalla valvola. Più in particolare, le valvole 30 e 32 sono valvole cosiddette "ad apertura per riscaldamento", nel senso che lo spostamento dalla posizione chiusa alla posizione aperta avviene quando la temperatura del corpo caldo CC sentita dalla valvola è superiore al suddetto primo valore di soglia. In questo modo, il circuito è in grado di passare in modo autonomo e automatico, a seconda della temperatura del corpo caldo CC sentita dalla valvola 30 e/o dalla valvola 32, dalla condizione aperta, in cui il fluido scorre lungo il circuito e quindi svolge l'azione di raffreddamento del corpo caldo, alla condizione chiusa, in cui non c'è flusso lungo il circuito e quindi l'azione di raffreddamento del corpo caldo è interrotta.

Anche se nella forma di realizzazione illustrata nella figura 1 il circuito comprende due valvole ad espansione termica 30 e 32 quali primi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura, potrebbe anche essere prevista una sola di tali valvole (indifferentemente quella di monte o quella di valle). La soluzione con due valvole, a monte e a valle del dispositivo evaporatore 10, offre comunque il vantaggio di permettere, quando queste due valvole sono entrambe chiuse, di smontare il dispositivo evaporatore per sostituirlo o per effettuare operazioni di manutenzione sullo stesso, senza bisogno di svuotare l'intero circuito.

Analogo discorso vale per i secondi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura. Secondo una forma di realizzazione, infatti, anch'essi comprendono due valvole ad espansione termica, rispettivamente indicate con 34 e 36, che sono poste in prossimità del corpo freddo CF, rispettivamente a monte e a valle del dispositivo condensatore 12, in modo da essere sensibili alla temperatura di tale corpo per controllare il flusso del fluido attraverso di esse a seconda di tale temperatura. Più specificamente, la prima valvola 34 è interposta fra il primo condotto 14 e la porzione di monte 24 del dispositivo condensatore 12, mentre la seconda valvola 36 è interposta fra la porzione di valle 28 del dispositivo condensatore 12 e il secondo condotto 16.

Ciascuna delle valvole 34 e 36 è spostabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa, in cui rispettivamente consente e impedisce il flusso del fluido attraverso di essa, lo spostamento da una posizione all'altra dipendendo dalla temperatura sentita dalla valvola. Più in particolare, le valvole 34 e 36 sono valvole cosiddette "ad apertura per raffreddamento", nel senso che lo spostamento dalla posizione chiusa alla posizione aperta avviene quando la temperatura del corpo freddo CF sentita dalla valvola è inferiore al suddetto secondo valore di soglia. In questo modo, il circuito è in grado di passare in modo autonomo e automatico, a seconda della temperatura del corpo freddo CF sentita dalla valvola 34 e/o dalla valvola 36, dalla condizione aperta, in cui il fluido scorre lungo il circuito e quindi svolge l'azione di riscaldamento del corpo freddo, alla condizione chiusa, in cui non c'è flusso lungo il circuito e quindi l'azione di riscaldamento del corpo freddo è interrotta.

Anche se nella forma di realizzazione illustrata nella figura 1 il circuito comprende due valvole ad espansione termica 34 e 36 quali secondi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura, potrebbe anche essere prevista una sola di tali valvole (indifferentemente quella di monte o quella di valle). La soluzione con due valvole, a monte e a valle del dispositivo condensatore 12, offre comunque il vantaggio di permettere, quando queste due valvole sono entrambe chiuse, di smontare il dispositivo condensatore per sostituirlo o per effettuare operazioni di manutenzione sullo stesso, senza bisogno di svuotare l'intero circuito.

Le figure dalla 2 alla 7b dei disegni allegati mostrano alcuni esempi di valvole ad espansione termica utilizzabili come primi e secondi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura nel circuito secondo l'invenzione, fermo restando che tali esempi sono da intendersi come puramente illustrativi e non limitativi della presente invenzione.

Negli esempi mostrati nelle figure 2 e 3, le valvole ad espansione termica sono valvole a gas. Più specificamente, la figura 2 mostra la versione ad apertura per riscaldamento, destinata a essere utilizzata per le valvole 30 e 32 associate al dispositivo evaporatore 10, mentre la figura 3 mostra la versione ad apertura per raffreddamento, destinata a essere utilizzata per le valvole 34 e 36 associate al dispositivo condensatore 12.

Negli esempi mostrati nelle figure 4 e 5, le valvole ad espansione termica sono valvole a liquido. Più specificamente, la figura 4 mostra la versione ad apertura per riscaldamento, destinata a essere utilizzata per le valvole 30 e 32 associate al dispositivo evaporatore 10, mentre la figura 5 mostra la versione ad apertura per raffreddamento, destinata a essere utilizzata per le valvole 34 e 36 associate al dispositivo condensatore 12.

Infine, negli esempi mostrati nelle figure 6a, 6b e 7a, 7b, le valvole ad espansione termica sono valvole a lamina bimetallica. Più specificamente, le figure 6a e 6b mostrano la versione ad apertura per riscaldamento, rispettivamente nella posizione chiusa (figura 6a) e nella posizione aperta (figura 6b), destinata a essere utilizzata per le valvole 30 e 32 associate al dispositivo evaporatore 10, mentre le figure 7a e 7b mostrano la versione ad apertura per raffreddamento, rispettivamente nella posizione chiusa (figura 7a) e nella posizione aperta (figura 7b), destinata a essere utilizzata per le valvole 34 e 36 associate al dispositivo condensatore 12.

Tutti i tipi di valvola mostrati nelle figure dalla 2 alla 7b comprendono fondamentalmente una sede valvola 38 che delimita un'apertura di passaggio 40, destinata a essere attraversata dal fluido di lavoro, e un otturatore 42 che controlla il flusso del fluido di lavoro attraverso l'apertura di passaggio 40 in funzione della temperatura sentita dalla valvola. Nella posizione chiusa della valvola, come mostrato nelle figure 2, 3, 4, 5, 6a e 7a, l'otturatore 42 è in battuta contro la sede valvola 38 e impedisce quindi il flusso del fluido di lavoro attraverso l'apertura di passaggio 40. Nella posizione aperta della valvola, come mostrato nelle figure 1, 6b e 7b, l'otturatore 42 è distanziato dalla sede valvola 38 e consente in tal modo il flusso del fluido di lavoro attraverso l'apertura di passaggio 40. La posizione dell'otturatore 42 dipende dalla temperatura sentita dalla valvola (temperatura del fluido di lavoro), come verrà qui di seguito spiegato in dettaglio.

Secondo la forma di realizzazione delle figure 2 e 3, la valvola comprende inoltre un corpo valvola 44 formante la sede valvola 38 e un soffietto 46 suscettibile di dilatarsi/contrarsi in una direzione assiale x parallela alla direzione del flusso del fluido attraverso la valvola. Il soffietto 46 è rigidamente collegato, direttamente o indirettamente, con una sua estremità (estremità di testa) all'otturatore 42 e con l'estremità opposta al corpo valvola 44, in maniera tale per cui la dilatazione e la contrazione del soffietto 46 producono un movimento dell'otturatore 42 rispetto alla sede valvola 38 nella direzione assiale x. Il soffietto 46 è riempito con un gas e dunque il suo volume varia in funzione della temperatura secondo la seguente relazione:

ΔV = (n·R/p)·ΔT, (1) dove ΔV è la variazione di volume del soffietto (uguale a quella del gas in esso contenuto), n è il numero di moli di gas contenute nel soffietto, R è la costante universale dei gas, p è la pressione del gas (che si può considerare costante in quanto legata alle caratteristiche del soffietto) e ΔT è la variazione di temperatura.

Posto che la variazione di volume ΔV del soffietto è pari al prodotto dell'area A dell'estremità di testa del soffietto su cui il gas esercita pressione per lo spostamento assiale S dell'estremità di testa del soffietto, ne consegue che la relazione fra lo spostamento S e la variazione di temperatura ΔT è la seguente:

S = (n·R/p)·ΔT/A. (2) Ipotizzando un numero di moli n pari a 0,01, una pressione p pari a 1,5 bar e un'area A pari a 2 cm<2>, si ottiene uno spostamento S pari a circa 5,5 cm per una variazione di temperatura ΔT pari a 20 °C. Le valvole con soffietto a gas sono quindi molto sensibili a variazioni di temperatura.

Nella versione mostrata in figura 2, l'otturatore 42 è assialmente disposto da parte opposta al soffietto 46 rispetto alla sede valvola 38, con la conseguenza che la dilatazione del soffietto dovuta all'aumento della temperatura del fluido di lavoro, e quindi del gas contenuto nel soffietto, provoca l'allontanamento dell'otturatore 42 dalla sede valvola 38, e quindi il passaggio del fluido attraverso l'apertura di passaggio 40. Questa tipologia di valvola è pertanto destinata a essere utilizzata in associazione con il dispositivo evaporatore 10, come mostrato nella figura 1.

Al contrario, nella versione mostrata in figura 3, l'otturatore 42 è assialmente disposto dalla stessa parte del soffietto 46 rispetto alla sede valvola 38, con la conseguenza che la dilatazione del soffietto dovuta all'aumento della temperatura del fluido di lavoro, e quindi del gas contenuto nel soffietto, provoca l'avvicinamento dell'otturatore 42 alla sede valvola 38, e quindi la chiusura dell'apertura di passaggio 40. Questa tipologia di valvola è pertanto destinata a essere utilizzata in associazione con il dispositivo condensatore 12, come mostrato nella figura 1.

Secondo la forma di realizzazione delle figure 4 e 5, la valvola comprende inoltre un corpo valvola (indicato anche qui con 44) formante la sede valvola 38 e un serbatoio 48 riempito con un liquido e vincolato al corpo valvola 44. Il serbatoio 48 termina con un collo cilindrico 50 che si estende lungo la direzione assiale x e in cui è accolto in modo scorrevole uno stelo 52 rigidamente connesso all'otturatore 42, in maniera tale per cui la variazione di volume del liquido contenuto nel serbatoio 48 al variare della temperatura produce uno spostamento assiale dello stelo 52 rispetto al serbatoio 48, e quindi uno spostamento assiale dell'otturatore 42 rispetto alla sede valvola 38. In questo caso, la relazione fra lo spostamento S dell'otturatore e la variazione di temperatura ΔT è la seguente:

S = (αliq- 3·λmet)·V·ΔT/A,

(3)

dove αliqè il coefficiente di dilatazione volumica del liquido, λmetè il coefficiente di dilatazione lineare del metallo con cui è fatto il serbatoio, V è il volume del serbatoio e A è l'area della sezione del collo cilindrico del serbatoio.

Ipotizzando di utilizzare un serbatoio in acciaio inox (λmet= 0,0000096 1/°C), avente un volume di 0,01 l e una sezione del collo pari a 0,3 cm<2>, e di riempirlo di olio silicone (αliq= 0,0016 1/°C), lo spostamento S risulta pari a circa 1 cm per una variazione di temperatura ΔT pari a 20 °C. Le valvole a liquido sono quindi meno sensibili a variazioni di temperatura rispetto alle valvole a gas sopra descritte con riferimento alle figure 2 e 3, nel senso che a parità di variazione di temperatura lo spostamento dell'otturatore è inferiore a quello delle valvole a gas.

Nella versione mostrata in figura 4, l'otturatore 42 è assialmente disposto da parte opposta al serbatoio 48 rispetto alla sede valvola 38, con la conseguenza che la fuoriuscita dello stelo 52 dovuta all'aumento della temperatura del fluido di lavoro, e quindi del liquido contenuto nel serbatoio, provoca l'allontanamento dell'otturatore 42 dalla sede valvola 38, e quindi il passaggio del fluido attraverso l'apertura di passaggio 40. Questa tipologia di valvola è pertanto destinata a essere utilizzata in associazione con il dispositivo evaporatore 10.

Al contrario, nella versione mostrata in figura 5, l'otturatore 42 è assialmente disposto dalla stessa parte del serbatoio 48 rispetto alla sede valvola 38, con la conseguenza che la fuoriuscita dello stelo 52 dovuta all'aumento della temperatura del fluido di lavoro, e quindi del liquido contenuto nel serbatoio, provoca l'avvicinamento dell'otturatore 42 alla sede valvola 38, e quindi la chiusura dell'apertura di passaggio 40. Questa tipologia di valvola è pertanto destinata a essere utilizzata in associazione con il dispositivo condensatore 12.

Le figure 6a, 6b e 7a, 7b mostrano infine esempi di valvole a espansione termica utilizzabili in un circuito secondo l'invenzione, in cui l'otturatore 42 è di forma rettangolare ed è realizzato come lamina bimetallica, con una prima porzione di lamina 42a fatta di un primo metallo e con una seconda porzione di lamina 42b che è fissata alla prima porzione di lamina 42a ed è fatta di un secondo metallo avente un coefficiente di dilatazione termica più elevato di quello del primo metallo. Più precisamente, l'otturatore 42 è fissato con un suo primo bordo alla sede valvola 38, mentre il bordo opposto è libero di muoversi rispetto alla sede valvola 38 a seguito della deformazione dell'otturatore dovuta a una variazione di temperatura.

Più specificamente, le figure 6a e 6b mostrano, rispettivamente nella posizione chiusa e nella posizione aperta, una valvola del tipo ad apertura per riscaldamento. In questo caso, a bassa temperatura (figura 6a), cioè al di sotto di un dato valore di soglia di temperatura, la lamina bimetallica è indeformata, per cui il bordo libero dell'otturatore 42 è a contatto con la sede valvola 38 e chiude l'apertura di passaggio 40. A temperatura elevata, cioè al di sopra del suddetto valore di soglia di temperatura, la lamina bimetallica si deforma provocando l'allontanamento del bordo libero dell'otturatore 42 dalla sede valvola 38, e quindi l'apertura della valvola.

Le figure 7a e 7b mostrano invece, rispettivamente nella posizione chiusa e nella posizione aperta, una valvola del tipo ad apertura per raffreddamento. In questo caso, ad alta temperatura (figura 7a), cioè al di sopra di un dato valore di soglia di temperatura, la lamina bimetallica è indeformata, per cui il bordo libero dell'otturatore 42 è a contatto con la sede valvola 38 e chiude l'apertura di passaggio 40. A bassa temperatura, invece, cioè a una temperatura inferiore al suddetto valore di soglia, la lamina bimetallica si deforma provocando l'allontanamento del bordo libero dell'otturatore 42 dalla sede valvola 38, e quindi l'apertura della valvola.

Ipotizzando di utilizzare una lamina bimetallica con una prima porzione di lamina in lega INVAR (63,8 Fe; 36 Ni; 0,2 C), avente un coefficiente di dilatazione termica pari a 0,000001 1/°C, e con una seconda porzione di lamina in ottone (60 Cu; 40 Zn), avente un coefficiente di dilatazione termica pari a 0,000021 1/°C, con una lunghezza di 50 mm e uno spessore di 0,5 mm, si ottiene con semplici calcoli che lo spostamento del bordo libero della lamina in conseguenza di una variazione di temperatura di 20 °C è pari a 1 mm, dunque di un ordine di grandezza più basso rispetto a quello sopra calcolato con riferimento a un esempio di realizzazione di valvola a liquido. Le valvole a lamina bimetallica sono dunque ancora meno sensibili a variazioni di temperatura rispetto alle valvole a liquido.

Alla luce della descrizione sopra fornita, risultano evidenti i vantaggi conseguibili con la presente invenzione.

Innanzitutto, l'utilizzo dei primi e/o secondi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura permette di ottimizzare il funzionamento del circuito, dal momento che le funzioni di raffreddamento e/o riscaldamento vengono automaticamente attivate e disattivate in modo completamente passivo a seconda dell'effettiva temperatura del corpo caldo da raffreddare e/o del corpo freddo da riscaldare.

In secondo luogo, l'utilizzo dei primi e/o secondi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura sia a monte sia a valle del dispositivo evaporatore e/o del dispositivo condensatore permette, nella condizione in cui tali mezzi chiudono il circuito sia a monte sia a valle del rispettivo dispositivo, si smontare tale dispositivo, ad esempio a fini di manutenzione, senza bisogno di svuotare l'intero circuito, con ovvi vantaggi in termini di riduzione dei tempi e dei costi di manutenzione.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione e i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto e illustrato a puro titolo di esempio non limitativo.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Circuito di raffreddamento/riscaldamento per il raffreddamento di un corpo caldo (CC) e il riscaldamento di un corpo freddo (CF), comprendente un dispositivo evaporatore (10) atto a ricevere calore dal corpo caldo (CC), un dispositivo condensatore (12) atto a cedere calore al corpo freddo (CF), un primo condotto (14) attraverso cui un fluido di lavoro, in fase vapore, scorre dal dispositivo evaporatore (10) al dispositivo condensatore (12), e un secondo condotto (16) attraverso cui il fluido di lavoro, in fase liquida, scorre dal dispositivo condensatore (12) al dispositivo evaporatore (10), laddove il dispositivo evaporatore (10) comprende una prima porzione (18), che è in comunicazione di fluido con il secondo condotto (16) e svolge la funzione di serbatoio o camera di compensazione contenente il fluido di lavoro in fase liquida, una seconda porzione (22), che è in comunicazione di fluido con il primo condotto (14) e contiene il fluido di lavoro in fase vapore, e un setto poroso (20) interposto fra la prima e la seconda porzione (18, 22) in maniera tale per cui il fluido di lavoro si muove per capillarità dalla prima porzione (18) alla seconda porzione (22) attraverso il setto poroso (20), caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre primi (30, 32) e/o secondi (34, 36) mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura, detti primi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura (30, 32) essendo configurati per interrompere o consentire il flusso del fluido di lavoro nel circuito quando la temperatura del corpo caldo (CC) è inferiore, o rispettivamente superiore, a un dato primo valore di soglia, e detti secondi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura (34, 36) essendo configurati per interrompere o consentire il flusso del fluido nel circuito quando la temperatura del corpo freddo (CF) è superiore, o rispettivamente inferiore, a un dato secondo valore di soglia.
2. Circuito secondo la rivendicazione 1, in cui detti primi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura (30, 32) comprendono almeno una valvola ad espansione termica che è posta in prossimità del corpo caldo (CC), a monte o a valle del dispositivo evaporatore (10), in modo da essere sensibile alla temperatura di tale corpo ed è spostabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa, in cui rispettivamente consente e impedisce il flusso del fluido di lavoro lungo il circuito, a seconda che la temperatura del corpo caldo (CC) sentita da detta valvola sia rispettivamente superiore o inferiore a detto primo valore di soglia.
3. Circuito secondo la rivendicazione 2, in cui detti primi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura (30, 32) comprendono due valvole ad espansione termica che sono poste l'una (30) a monte e l'altra (32) a valle del dispositivo evaporatore (10).
4. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti secondi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura (34 36) comprendono almeno una valvola ad espansione termica che è posta in prossimità del corpo freddo (CF), a monte o a valle del dispositivo condensatore (12), in modo da essere sensibile alla temperatura di tale corpo ed è spostabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa, in cui rispettivamente consente e impedisce il flusso del fluido lungo il circuito, a seconda che la temperatura del corpo freddo (CF) sentita da detta valvola sia rispettivamente inferiore o superiore a detto secondo valore di soglia.
5. Circuito secondo la rivendicazione 4, in cui detti secondi mezzi di controllo del flusso sensibili alla temperatura (34, 36) comprendono due valvole ad espansione termica che sono poste l'una (34) a monte e l'altra (36) a valle del dispositivo condensatore (12).
6. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 2 alla 5, in cui dette valvole ad espansione termica (30, 32, 34, 36) comprendono ciascuna una sede valvola (38) che delimita un'apertura di passaggio (40), destinata a essere attraversata dal fluido di lavoro, e un otturatore (42) che controlla il flusso del fluido di lavoro attraverso l'apertura di passaggio (40) ed è spostabile rispetto alla sede valvola (38) fra una posizione aperta e una posizione chiusa in funzione della temperatura.
7. Circuito secondo la rivendicazione 6, in cui dette valvole ad espansione termica (30, 32, 34, 36) comprendono inoltre ciascuna un corpo valvola (44) formante la sede valvola (38) e un soffietto (46) suscettibile di dilatarsi e contrarsi in una direzione assiale (x) parallela alla direzione del flusso del fluido di lavoro attraverso la valvola, il soffietto (46) essendo riempito di gas ed essen do rigidamente collegato con una sua estremità di testa all'otturatore (42) e con l'estremità opposta al corpo valvola (44), in maniera tale per cui la dilatazione e la contrazione del soffietto (46) dovuta alla variazione di volume del gas al variare della temperatura producono un movimento dell'otturatore (42) rispetto alla sede valvola (38) in detta direzione assiale (x).
8. Circuito secondo la rivendicazione 6, in cui dette valvole ad espansione termica (30, 32, 34, 36) comprendono inoltre ciascuna un corpo valvola (44) formante la sede valvola (38) e un serbatoio (48) riempito con un liquido e vincolato al corpo valvola (44), il serbatoio (48) terminando con un collo (50) che si estende lungo una direzione assiale (x), parallela alla direzione del flusso del fluido di lavoro attraverso la valvola, e in cui è accolto in modo scorrevole uno stelo (52) rigidamente connesso all'otturatore (42), in maniera tale per cui la variazione di volume del liquido contenuto nel serbatoio (48) al variare della temperatura produce uno spostamento assiale dello stelo (52) rispetto al serbatoio (48), e quindi uno spostamento assiale dell'otturatore (42) rispetto alla sede valvola (38).
9. Circuito secondo la rivendicazione 6, in cui l'otturatore (42) di ciascuna di dette valvole ad espansione termica (30, 32, 34, 36) è realizzato come lamina bimetallica, con una prima porzione di lamina (42a) fatta di un primo metallo e con una seconda porzione di lamina (42b) che è fissata alla prima porzione di lamina (42a) ed è fatta di un secondo metallo avente un coefficiente di dilatazione termica più elevato di quello del primo metallo, e in cui l'otturatore (42) è fissato con un suo primo bordo alla sede valvola (38), mentre il bordo opposto è libero di muoversi rispetto alla sede valvola (38) a seguito di una deformazione dell'otturatore (42) dovuta a una variazione di temperatura.