PT1979708T - Arrefecimento de rolamentos, motores e outros componentes rotativos geradores de calor - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

ARREFECIMENTO DE ROLAMENTOS, MOTORES E OUTROS COMPONENTES ROTATIVOS GERADORES DE CALOR

CAMPO TÉCNICO

Esta invenção refere-se a métodos e aparelho para arrefecimento de rolamentos, motores e outros componentes geradores de calor que suportam e acionam máquinas rotativas, por exemplo, volantes de inércia que estão envolvidos num vácuo pare i al.

ANTECEDENTES

Um giroscõpio de controlo de momento ("CMG") utilizado para atenuação do rolo em barcos depende de um volante de inércia pesado que opera a velocidades de rotação altas. 0 volante de inércia rotativo é suportado por rolamentos que estão submetidos a cargas axiais e radiais altas. Como resultado, estes rolamentos produzem uma quantidade substancial de calor gerado por fricção, que deve ser dissipado de modo a evitar acumulação de calor perigosa. Se o volante de inércia é suportado num meio ambiente convencional o calor pode ser dissipado por convecção de ar, que pode ser auxiliada por um ventilador de soprar ar através das anilhas de rolamento externa e interna e os elementos metálicos adjacentes. Mas se o volante de inércia estiver envolvido num vácuo parcial, por exemplo, conforme descrito na nossa patente, Patente U.S. N.° 6.973.847, pode não haver ar suficiente para permitir a convecção. 0 mesmo problema de arrefecimento pode existir noutros dispositivos em que os volantes de inércia rodam em invólucros parcialmente evacuados (por exemplo, dispositivos de armazenamento de energia mecânica) e processos de fabrico que utilizam câmaras evacuadas que contêm elementos rotativos que requerem rolamentos geradores de calor. Atualmente, os dispositivos de armazenamento de energia do volante de inércia tipicamente utilizam tipicamente rolamentos magnéticos caros (que não geram calor de fricção) em vez de rolamentos de elementos rolantes muito menos caros. Uma razão é que não há métodos comprovados de remoção do calor das anilhas internas de rolamentos de elementos rolantes num vácuo parcial, exceto por jato ou circulação de óleo de arrefecimento através dos rolamentos, o que tende a criar grandes perdas de potência.

Precisam de ser distinguidos dois tipos de fluxo de calor - condução e convecção. A condução do calor ocorre por moléculas que se acumulam noutras moléculas. Assim, quando se coloca a mão num radiador quente, as moléculas que se movem rapidamente no metal quente batem nas moléculas da pele, transferindo energia para elas. A convecção por calor ocorre quando as moléculas são movidas como uma consequência do ar (ou de outro gás ou líquido) que flui de um local para outro. Assim, o radiador quente aquece uma sala por meio de condução de calor ao ar imediatamente adjacente à superfície do radiador e depois por convecção, à medida que o ar aquecido flui ao redor da sala. 0 calor no ar é transferido para os ocupantes da sala por condução, quando as moléculas no ar quente contactam a pele ou a roupa da pessoa. A condução de calor pode ocorrer através de um gãs, líquido ou sólido. Quando ocorre através de um gás, pode ser chamada de condução gasosa. Quando ocorre através de um sólido (por exemplo, através de um metal ou outro bom condutor de calor), pode ser chamada de condução sólida. A lei de Fourier de condução de calor define a transferência de calor unidimensional entre duas superfícies paralelas por condução gasosa: Q = ΚΑΔΤ/ΔΧ

Onde Q = transferência de calor (watts) K = condutividade térmica do gás (watts/m -Grau C) A = área da superfície paralela (m2) ΔΤ = diferencial de temperatura entre as duas superfícies de transferência de calor (graus C) ΔΧ = distância entre as superfícies de transferência de calor (m)

Conforme mostrado na equação, a quantidade de calor transferida é diretamente proporcional à condutividade térmica do gás, à área das superfícies e à diferença de temperatura entre as superfícies e é inversamente proporcional à distância entre as superfícies. A condutividade térmica do gás (K) é constante independentemente da pressão até que a pressão seja tão baixa que a via livre médio molecular do gás é maior ou igual que a distância entre as superfícies (ΔΧ). Isto significa que a quantidade de calor transferida será independente da pressão até que a via livre médio do gás seja igual ou maior do que a distância entre as superfícies. Abaixo da pressão em que a via livre médio molecular do gás é maior do que a distância entre as superfícies, as moléculas de gás continuarão a conduzir o calor, mas agora há uma redução na condutividade térmica (e a quantidade de calor transferida) com mais reduções na pressão do gás. 0 documento DE 19909491A1 descreve um dispositivo de arrefecimento para um eixo montado rotativamente dentro de uma caixa no qual não é necessária nenhuma vedação especial do eixo. As primeiras aletas de arrefecimento na forma de discos anular planos são proporcionadas na superfície externa de uma manga em contato com o eixo. As segundas aletas de arrefecimento na forma de discos anular planos são proporcionadas no furo de uma manga em contacto com um dissipador de calor externo. As primeiras aletas projetam-se em intervalos entre as segundas aletas. A transferência de calor é efetuada por radiação e a transferência de calor por gás presente entre a primeira e a segunda aletas. 0 documento EP 1193837 descreve um alternador para um veículo com discos rotativos no rotor e discos estacionários opostos nas superfícies internas de um suporte dianteiro e um suporte traseiro. Os discos estacionários encaixam com discos rotativos com intervalos de ar entre eles para transferência de calor. São proporcionadas projeções nas superfícies de transferência de calor dos discos estacionários para gerar fluxo de ar turbulento nos espaços definidos entre os discos rotativos e os discos estacionários . 0 documento U.S . 2004/0244513 descreve um estabilizador de rolo giroscópico para um barco com um volante de inércia, um motor de ignição do volante de inércia configurado para girar o volante de inércia em torno de um eixo de rotação e um invólucro que circunda uma porção ou todo o volante de inércia e mantendo uma pressão inferior ao ambiente ou contendo um gás de densidade inferior ao ambiente, 0 documento US 2005/0040776 descreve um sistema de armazenamento de energia para o volante de inércia incluindo um invólucro de vácuo com um volante de inércia, um motor / gerador e um eixo envolvido dentro.

Um tubo de calor na porção do eixo do aparelho proporciona arrefecimento para o calor elevado gerado pelo motor/gerador e rolamentos. 0 sistema de armazenamento de energia do volante de inércia inclui um conjunto de rolamentos que facilitam a rotação do eixo, do volante de inércia e do rotor do motor / gerador em torno de um eixo. Um conjunto de rolamentos inclui um anel interno, um anel externo e uma pluralidade de esferas de rolamento. O cubo do volante de inércia está ligado a um eixo rotativo com aletas de arrefecimento que se estendem radialmente a partir do eixo. As aletas de arrefecimento encaixam-se dentro de um conjunto do tipo de concha dividida de aletas de transferência de calor estacionário que se estendem do interior do invólucro de vácuo de modo que o arrefecimento natural e autónomo do sistema completo de armazenamento de energia do volante de inércia pode ser alcançado.

SUMARIO

Descobrimos técnicas práticas para transferir calor dos componentes geradores de calor, por exemplo, rolamentos e motores, que suportam e acionam máquinas rotativas tais como volantes de inércia. Tipicamente, o calor acumular-se-á nas anilhas internas dos rolamentos que suportam o volante de inércia (mas também são possíveis outras fontes de calor, tal como calor do motor, resistência ao ar ou turbilhão) . Esta acumulação de calor nas anilhas internas pode levar à falha do aparelho pois pode ocorrer um grande diferencial de temperatura entre as anilhas interna e externa de rolamento. As anilhas externas permanecem tipicamente arrefecidas porque o calor pode fluir (por condução através de elementos de metal adjacentes) das anilhas externas para o exterior do invólucro, onde o calor é dissipado por convecção (o ar passa pela superfície quente exterior). Apenas uma pequena quantidade de calor é conduzida através dos rolamentos (da anilha interna para a externa) e assim as anilhas internas e o volante de inércia ao qual estão fixadas tendem a aumentar a temperatura. As temperaturas aumentadas podem destruir a eficácia do lubrificante de rolamento e também podem submeter a anilha interna a expansões térmicas não vistas pela anilha externa arrefecida com a resultante destruição catastrófica dos rolamentos e aparelho. Técnicas conhecidas de arrefecimento incluem a imersão dos rolamentos num banho de óleo circulante ou jato de óleo através dos rolamentos (como num motor de turbina a gás) ou bombear um grande volume de névoa de ar/óleo através dos rolamentos (como nos eixos da máquina-ferramenta) para os lubrificar e arrefecer. No entanto, estes métodos são complicados e tendem a aumentar o calor gerado pelo rolamento pois a resistência viscosa dos elementos rotativos que se agitam através do óleo aumentam substancialmente a potência necessária para acionar o volante de inércia ou outro elemento rotativo. 0 método de névoa de ar/óleo não é aplicável a aplicações de vácuo pois necessita de um fluxo de ar substancial. Alguns fabricantes de máquinas-ferramentas bombeiam água por um furo perfurado por uma pistola através da haste do eixo para remover o calor dos rolamentos e do motor. Isto também é difícil de aplicar a aplicações de vácuo pois a água tem de ser mantida à pressão ambiente para evitar que se vaporize. A invenção compreende o aparelho conforme definido na reivindicação 1. A presente divulgação descreve aparelho para transferir calor e arrefecer um ou mais componentes geradores de calor que suportam ou acionam um volante de inércia ou outro elemento rotativo. 0 aparelho compreende um primeiro elemento de transferência de calor fixado e girando com o elemento rotativo, um segundo elemento de transferência de calor estacionário em relação ao elemento rotativo, em que o primeiro e segundo elementos de transferência de calor movem-se em relação um ao outro e em que o primeiro e segundo elementos de transferência de calor são formados e posicionados em estreita proximidade um do outro de modo que é transferido calor substancial do primeiro elemento de transferência de calor para o segundo elemento de transferência de calor. A estreita proximidade das duas superfícies ou elementos promove uma transferência de calor principalmente por condução gasosa. 0 movimento rotacional relativo e estreita proximidade dos elementos podem criar fluxos de cavidade rotativos que promovem a transferência de calor por convecção gasosa. Nestes fluxos rotativos circulam continuamente moléculas de ar do primeiro elemento mais quente para o segundo elemento mais frio.

Outras caraterísticas descritas nesta divulgação incluem as seguintes. Transferência de calor entre o primeiro e segundo elementos de transferência de calor pode ocorrer quer por condução gasosa como por convecção, embora principalmente por condução gasosa. 0 primeiro e segundo elementos de transferência de calor podem ter superfícies expostas espaçadas próximas através das quais o calor é transferido. 0 primeiro elemento de transferência de calor compreende uma pluralidade de primeiras palhetas, o segundo elemento de transferência de calor compreende uma pluralidade de segundas palhetas, as primeiras palhetas movem-se em relação às segundas palhetas, as primeiras palhetas estendem-se em intervalos entre as segundas palhetas de modo que as primeiras e segundas palhetas são intercaladas e pode ser transferido calor substancial das primeiras palhetas para as segundas palhetas.

Um invólucro rodeia o elemento rotativo, o primeiro elemento de transferência de calor pode compreender a superfície externa do elemento rotativo e o segundo elemento de transferência de calor pode compreender a superfície interna do invólucro espaçada por um pequeno intervalo do elemento rotativo de modo que é transferido calor substancial por condução gasosa do elemento rotativo para o invólucro. A separação entre as primeiras palhetas e segundas palhetas pode ser maior que 0,025 mm mas menor que 10 mm. 0 elemento rotativo é envolvido dentro de um invólucro que contém um gás a pressão inferior ao ambiente ou de densidade inferior ao ambiente, o primeiro elemento de transferência de calor e as primeiras palhetas rodam em relação ao invólucro, o segundo elemento de transferência de calor e as segundas palhetas são fixados em relação ao invólucro e o segundo elemento de transferência de calor é posicionado de modo que o calor possa ser prontamente transferido do segundo elemento de transferência de calor para o exterior do invólucro. 0 gás pode ser quer a pressão inferior ao ambiente quer a densidade inferior ao ambiente. 0 eixo de rotação em torno do qual o elemento rotativo gira pode definir uma direção axial, as primeiras palhetas podem ser elementos cilíndricos que se estendem numa primeira direção axial de uma primeira base fixada ao elemento rotativo, as segundas palhetas podem ser elementos cilíndricos que se estendem numa segunda direção axial, oposta à primeira direção axial, a partir de uma segunda base fixada ao invólucro e os intervalos entre as segundas palhetas podem ser canais cilíndricos formados e posicionados para receber as primeiras palhetas cilíndricas. 0 eixo de rotação em torno do qual o elemento rotativo gira pode definir uma direção axial, as primeiras e segundas palhetas podem ser elementos planos que se estendem em direções radiais perpendicularmente à direção axial e os intervalos entre as segundas palhetas podem ser canais planos formados e posicionados para receber as primeiras palhetas planas. 0 primeiro e segundo elementos de transferência de calor estão localizados adjacentes ao rolamento que suporta o elemento rotativo, o rolamento tem uma anilha interna e uma anilha externa, as primeiras palhetas e anilha interna são fixadas ao elemento rotativo pois o calor flui por condução da anilha interna para as primeiras palhetas e do elemento rotativo para as primeiras palhetas, a anilha externa é fixada ao invólucro e, a anilha interna, elemento rotativo, primeiras palhetas e segundas palhetas são formados e posicionados de modo que o calor da anilha interna do rolamento flui por condução sólida da anilha interna para o elemento rotativo e para as primeiras palhetas, por condução sólida do elemento rotativo para as primeiras palhetas e principalmente, por condução gasosa das primeiras palhetas para as segundas palhetas e por condução sólida das segundas palhetas para o exterior do invólucro. Conforme descrito o aparelho pode compreender pelo menos dois rolamentos, cada um tendo os seus próprios primeiro e segundo elementos de transferência de calor. 0 elemento rotativo pode ser um volante de inércia e o volante de inércia e invólucro podem ser parte do estabilizador de rolo giroscõpico para um barco. A invenção pode compreender ainda um dissipador de calor para o qual o calor flui a partir das segundas palhetas. 0 dissipador de calor pode compreender aletas arrefecidas a ar no exterior do invólucro. 0 gás entre o primeiro e segundo elementos de transferência pode ter uma via livre média molecular igual ou menor que a distância entre os elementos de transferência de calor. A invenção pode compreender ainda uma pluralidade de conjuntos de primeiras e segundas palhetas. 0 gás pode ter uma condutividade térmica mais elevada que o ar. 0 componente gerador de calor pode compreender um ou mais rolamentos. 0 componente gerador de calor pode compreender um ou mais motores elétricos. 0 intervalo entre palhetas rotativas mais quentes e as palhetas não rotativas mais frias pode ser mantido muito pequeno e assim, proporcionar uma via de calor para o exterior do dispositivo enquanto as palhetas rotativas são mais quentes que as palhetas estacionárias. 0 calor pode ser conduzido a partir dos componentes geradores de calor para as palhetas rotativas por condução sólida, depois através do intervalo de ar para as palhetas estacionárias por condução gasosa e convecção e depois por condução e convecção para a atmosfera ou para um dissipador de calor.

Pelo menos alguns dos mecanismos descritos nesta divulgação têm vantagens significativas abaixo da pressão ambiente, em que o arrefecimento convectivo com ar torna-se mais difícil por causa da pressão reduzida e a transferência de calor radiante pode ser insignificante porque os diferenciais de temperatura podem não ser suficientemente grandes para transferir uma quantidade significativa de calor. Confiança nos benefícios da condução gasosa pelo facto de que a condutividade térmica de um gás aumenta com a temperatura, de modo que, à medida que o gás aquece conduzirá mais calor através do intervalo (para um diferencial de temperatura fixo) entre as palhetas rotativas e estacionárias. Isto ajuda a estabilizar o comportamento térmico.

Os fluxos da cavidade rotativa existirão nos pequenos intervalos entre as palhetas fixas e rotativas mesmo num vácuo parcial. Em algumas aplicações a densidade do gás e/ou a velocidade de rotação serão suficientemente altas para que a convecção gasosa aumente o arrefecimento da condução gasosa. 0 fluxo rotativo circula as moléculas de gás para que sejam transportadas continuamente das palhetas rotativas quentes para as palhetas estacionárias mais frias. 0 primeiro aspeto permite que o calor seja removido passivamente sem circular nenhum fluido dentro do invólucro. Isto simplifica consideravelmente o dispositivo ou máquina, pois não são necessários uma bomba de refrigeração, motor, filtro e permutador de calor. Os rolamentos lubrificados com massa podem ser usados e estes terão menos torque de fricção do que os rolamentos lubrificados a óleo. 0 aparelho descrito supera o problema de arrefecer componentes rotativos que geram calor e estão envolvidos num vácuo parcial. Isto permite o desenvolvimento de giroscópios de controlo de momento (CMGs) para estabilizar pequenos barcos e o desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia de volante de inércia que utilizam rolamentos de elementos rolantes, pois agora há uma maneira de remover o calor dos componentes rotativos que não aumenta os requisitos de energia operacional. 0 aparelho descrito pode auxiliar no arrefecimento das anilhas internas dos rolamentos, motores e outros componentes rotativos geradores de calor que operam em espaços confinados a pressão ambiente ou acima (por exemplo eixos da máquina-ferramenta).

Outras características e vantagens da invenção conforme definido nas reivindicações encontrar-se-ão na descrição detalhadas, desenhos e reivindicações.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS FIGURA 1 é uma vista em secção de corte de uma estabilidade de barco CMG que incorpora uma implementação do primeiro aspeto da invenção. FIGURA 2 é um alargamento da porção de rolamento superior 2-2 da FIGURA 1. FIGURA 3 é um alargamento da porção de rolamento inferior 3-3 da FIGURA 1 FIGURA 4 é uma vista em secção de corte (tomada ao longo de 4-4 na FIGURA 5) através do elemento de transferência de calor externo da implantação da FIGURA 1. FIGURA 5 é uma vista em planta (tomada ao longo de 5-5 na FIGURA 4) olhando para cima nas palhetas do elemento de transferência de calor da FIGURA 4. FIGURA 6 é uma vista em alçado do elemento de transferência de calor da FIGURA 4. FIGURA 7 é uma vista em planta (tomada ao longo de 7-7 na FIGURA 6) olhando para baixo na superfície superior do elemento de transferência de calor da FIGURA 4. FIGURA 8 é uma vista em secção de corte (tomada ao longo de 8-8 na FIGURA 9) através do elemento de transferência de calor interno da implantação da FIGURA 1 FIGURA 9 é uma vista em planta (tomada ao longo de 9-9 na FIGURA 8) olhando para baixo na superfície superior do elemento de transferência de calor da FIGURA 8. FIGURA 10 é uma vista em secção de corte de uma estabilidade de barco CMG que incorpora arrefecimento líquido. FIGURA 11 é um alargamento da porção de rolamento superior 11-11 da FIGURA 10. FIGURA 12 é um alargamento da porção de rolamento superior 12“12 da FIGURA 10 FIGURA 13 é uma elevação do conjunto de palhetas rotativas da implantação da FIGURA 10. FIGURA 14 é uma vista em secção de corte do conjunto de palhetas rotativas da FIGURA 13.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Existem muitas implementações possíveis da invenção, demasiadas para descrever no presente documento. Algumas implementações possíveis, que são preferidas atualmente, são descritas abaixo. No entanto, não pode ser enfatizado com demasiada força que estas são descrições de implementações da invenção e não descrições da invenção, a qual não se limita às implementações detalhadas descritas nesta seção, mas é descrita em termos mais amplos nas reivindicações. É mostrado na FIGURA 1 um estabilizador de rolo giroscópico 10 para barcos pequenos (do tipo descrito na Patente U.S. N.° 6.973.847, incorporada no presente documento por referência). Um volante de inércia de aço 12 gira dentro de um invólucro de alumínio 14, o qual é evacuado para uma pressão inferior ao ambiente e pode incluir um gás de densidade inferior ao ambiente (por exemplo, hélio ou hidrogénio) para reduzir fricção no volante de inércia rotativo. Um motor elétrico (sem armação CC sem escova) 16 integrado dentro do interior do invólucro aciona o volante de inércia, que é suportado por conjunto de rolamentos superior 18 e um conjunto de rolamentos inferior 20.

Conforme mostrado nos alargamentos das FIGURAS 2-3, cada conjunto de rolamentos inclui uma caixa exterior 22, 24, anilha externa 26, 28, anilha interna 30, 32, e esferas 34. Os vedantes 36 são proporcionados tanto na parte superior como na inferior de cada rolamento. Retentores superiores e inferiores 40, 42 suportam o rolamento superior no lugar. Estes rolamentos são lubrificados por uma embalagem de massa. 0 calor gerado pelas anilhas internas do rolamento e o rotor do motor elétrico, é transferido para o exterior por conjuntos de colar de arrefecimento 50, 52 (uma ou mais implementações do elemento de transferência de calor) localizados adjacentes a cada rolamento. Cada conjunto de colar de arrefecimento inclui um colar de rotação interior 54, 56 e um colar estacionário exterior 58, 60 que também forma a tampa de extremidade do invólucro. Os colares 54, 56, 58, 60 podem ser construídos de uma variedade de materiais com boa condutividade térmica (por exemplo, alumínio, cobre ou plástico).

Conforme mostrado nas FIGURAS 4-5, os colares exteriores 58, 60 têm dez palhetas cilíndricas 62, cada uma de um raio diferente. Os intervalos cilíndricos 64 são formados entre as palhetas. As palhetas são de aproximadamente 2,77 mm em espessura radial e a separação radial entre palhetas (isto é, a largura radial dos intervalos) é aproximadamente de 4,78 mm. As palhetas 62 têm cerca de 32 mm em comprimento ao longo da direção axial.

Os colares interiores 54, 56 têm onze palhetas cilíndricas 66 e intervalos cilíndricos 68 entre as palhetas (FIGURAS 2-3) , cada uma de um raio diferente e dimensionadas e posicionadas de modo que as palhetas 66 acasalem com as palhetas 62 dos colares exteriores de acasalamento. As palhetas 66 são de aproximadamente do mesmo comprimento (32 mm) , largura e espessura radial das palhetas 62 e são recebidas em intervalos 64 entre palhetas 62.

Depois dos colares interiores e exteriores estarem acasalados, com palhetas intercaladas, a separação radial entre a palheta rotativa de um colar e a palheta estacionária de outro é aproximadamente de 1 mm. Para melhorar a transferência de calor por condução gasosa, esta separação pode ser feita tão pequena quanto possível, sujeita a limitações práticas, como a maquinagem e as tolerâncias de operação. Em aplicações parciais de vácuo, tipicamente a separação não é menos que a via livre média das moléculas de gãs na pressão da operação. Esta pequena separação assegura que a condutividade térmica do gas nao e reduzida pela pressão de vacuo e auxilia a transferência de calor por convecção gasosa.

Numa implementação, a pressão da operação é 1 Torr, a temperatura da operação é 100 C e a via livre média molecular do ar é 0,066 mm, que é significativamente menos que a separação radial de 1 mm Na prática, a distância pode variar a partir destas orientações gerais desde que calor substancial seja transferido através da separação.

Conforme mostrado nas FIGURAS 6-7, as superfícies exteriores dos colares exteriores 58, 60 têm palhetas de transferência de calor adicionais 70, as quais transferem o calor a partir do colar para a atmosfera circundante (por condução na superfície das palhetas, com convecção movendo o ar após as palhetas).

Na implementação mostrada, as palhetas rotativas e estacionárias 66, 62 tem, cada uma, uma área de superfície total de 0,34 metros quadrados. Um diferencial de temperatura típico entre as palhetas rotativas e estacionárias é de 15 C e somente a condução do ar transferirá 153 watts através do intervalo para arrefecer a anilha interna deste diferencial. Se é necessário proporcionar mais arrefecimento, as palhetas estacionárias podem ser ativamente arrefecidas por sopro de ar sobre elas (fora do conf inamento) para criar um diferencial de temperatura maior entre as palhetas rotativas e estacionárias. Um diferencial de temperatura de 30 C transferiria 306 watts somente por condução gasosa. Alternativamente, a quantidade de transferência de calor pode ser aumentada por enchimento traseiro da câmara de vácuo com hélio ou hidrogénio após a bombagem inicial. A condutividade térmica do Hélio é aproximadamente de 5,6 vezes a do ar e portanto um diferencial de temperatura de 15 C transferiria 855 watts de calor somente por condução gasosa. Se forem necessários mais aumentos na transferência de calor a separação radial entre as palhetas fixas e rotativas pode ser reduzida de 1 mm para 0,5 mm. É tipicamente viável operar com aquela pequena separação radial, pois as máquinas como CMGs e dispositivos de armazenamento de energia de volante de inércia são tipicamente fabricadas com tolerâncias muito apertadas (menos de 0,025 mm tipicamente) e os seus volantes de inércia são suportados em rolamentos de elementos de rotação de alta precisão. Se o volante de inércia está envolvido em hélio a 1 Torr, a separação radial é 0,5 mm e o diferencial de temperatura é 15 C, depois 1710 watts de calor podem ser transferido a partir das anilhas internas do rolamento somente por condução gasosa. Também é possível ajustar a quantidade de calor transferida aumentando ou diminuindo a área de superfície das palhetas.

Estes exemplos mostram como o método e o aparelho de arrefecimento podem ser ajustados para proporcionar uma quantidade de arrefecimento necessário de modo que os componentes geradores de calor alcancem temperaturas de operação estáveis. 0 projetista pode variar a área da palheta, separação radial, tipo de gás, densidade do gás e a diferença de temperatura entre as palhetas rotativas e estacionárias para obter a solução ideal para uma aplicação específica. FIGURAS 10“14 mostram uma implementação do esquema de arrefecimento líquido que não faz parte da invenção. A implementação de arrefecimento líquido depende também de colares de arrefecimento no eixo rotativo adjacente à fonte primária de calor, isto é, a anilha interna do volante de inércia dos rolamentos. No entanto, com o arrefecimento líquido, as aletas nos colares consistem em discos planos espaçados que se estendem radialmente para fora do eixo, e não há aletas fixas fixadas ao confinamento do volante de inércia. Em vez disso, o arrefecimento é realizado por jatos de óleo posicionado no confinamento de fora de borda dos discos que esguicham correntes de óleo entre os discos rotativos e em direção ao centro do eixo do volante de inércia, conduzindo assim o calor dos discos para o óleo, o qual é lançado por força centrífuga para fora de borda para ser recolhido por um revestimento interior dentro do confinamento, mas fora do perímetro do volante de inércia. Isto, por sua vez, força o óleo quente a seguir a curvatura interna do confinamento na sua via gravitacional para baixo, onde transfere o calor para o confinamento, auxiliado por cumes interiores no confinamento que aumentam a área de superfície em contacto com o óleo. 0 óleo é recolhido num cárter na parte inferior do dispositivo, onde é bombeado de volta aos jatos de óleo, completando o ciclo de arrefecimento.

Voltando à FIGURA. 10, o calor gerado pelas anilhas internas do rolamento e rotor do motor elétrico é transferido para os conjuntos de colares de arrefecimento superior e inferior 71, 72 localizados adjacentes às anilhas internas do rolamento superior e inferior 73, 74. No caso do rolamento superior, uma caixa estacionária 75 rodeia o colar de arrefecimento superior e forma a tampa de extremidade do invólucro. No caso do rolamento inferior, a caixa estacionária 76 que rodeia o colar de arrefecimento inferior é parte do conjunto de reservatório de óleo 77. 0 conjunto de reservatório também contém o óleo de arrefecimento78, a bomba de arrefecimento 79, o motor da bomba de arrefecimento 80 e um filtro e válvulas (não mostrados) . Os conjuntos de colares de arrefecimento 71,72 podem ser construídos de uma variedade de materiais que têm boa condutividade térmica (por exemplo alumínio e cobre).

Conforme mostrado em mais detalhe nas Figuras 11-14, os conjunto de colares de arrefecimento têm 4 palhetas horizontais cada um que formam 3 intervalos entre as palhetas. 0 raio interno dos intervalos é de 54 mm, 0 raio externo é de 8 9 mm, e a largura dos intervalos é de 2,4 mm. As caixas estacionárias superior e inferior que rodeiam os colares de arrefecimento contém cada 3 jatos de óleo 81 (um por intervalo) . Estes jatos são montados e orientados de modo que pulverizam uma corrente de óleo de arrefecimento para e paralelamente aos intervalos entre as palhetas horizontais. 0 diâmetro do orifício do jato é de 0,64 mm onde existe a corrente. A corrente muito fina de óleo de arrefecimento contacta o fundo de cada intervalo nas palhetas do colar de arrefecimento e é redirecionada pela alta velocidade de rotação de modo que cria uma película fina que cobre completamente as superfícies da palheta antes que as forças centrífugas lancem a película. A película de óleo mais fria que se move a alta velocidade através da superfície da palheta mais quente capta o calor por meio de condução e leva-o por convecção. 0 resultado é uma transferência de calor muito eficiente da anilha interna do rolamento para o colar de arrefecimento e depois para o óleo de arrefecimento. 0 óleo aquecido que sai das palhetas superiores do colar atinge a caixa estacionária 75, cai através de buracos na caixa do rolamento 82 e é recolhido por um revestimento interior 83 interior do confinamento, mas fora do perímetro do volante de inércia 84 . 0 revestimento é montado em nervuras interiores do conf inamento 85 para aumentar a área de superfície em contacto com o óleo. Este mecanismo de revestimento/nervura força o óleo quente a seguir a curvatura interna do confinamento na sua via gravitacional para baixo rolamento inferior. À medida que o óleo segue este contorno, transfere o calor para o conf inamento de arrefecimento, o que diminui constantemente a temperatura do óleo até atingir o reservatório 77.

Também pode haver um caudal de óleo desviado que é pulverizado sobre o confinamento entre as nervuras e o revestimento logo abaixo do rolamento superior. Este caudal desviado aumenta a quantidade de óleo em contato com o confinamento e ajuda a arrefecer o óleo no reservatório. 0 óleo quente que sai das palhetas do colar inferior 72 cairá para dentro do reservatório 77 sem arrefecimento significativo. Em qualquer momento do tempo, o reservatório contém uma mistura de óleo do colar superior que foi arrefecido pelo confinamento, o óleo de derivação que foi arrefecido pelo confinamento e o óleo do colar inferior que não foi arrefecido. As áreas de superfície de confinamento interna e externa e o arrefecimento externo podem ser projetados de modo que seja extraído a partir do óleo calor suficiente que sai do colar superior e do caudal de óleo derivado para arrefecer a mistura de óleo no reservatório. 0 óleo no reservatório é recolhido pela bomba e bombeado de volta aos jatos de óleo e pulverizado nos colares superior e inferior e através dos jatos de derivação, completando assim o ciclo de arrefecimento.

Esta implementação particular do colar de arrefecimento tem uma área de superfície de palheta total de 0,093 metros quadrados em contacto com óleo. A bomba de óleo entrega 0,5 litros por minuto por colar ou 0,165 litros por minuto por jato. A temperatura do óleo aumenta 15 graus C (desde a entrada nas palhetas até à saída das palhetas) para transferir 250 watts de calor da anilha interna do rolamento e manter a anilha interna a uma temperatura no intervalo de 80-100 C.

Tal como o esquema das FIGURAS 1-9, o esquema de arrefecimento líquido é flexível se for necessário proporcionar mais arrefecimento. A área da palheta de arrefecimento, o número de intervalos/jatos e a velocidade do fluxo de arrefecimento podem todos ser aumentados para aumentar a velocidade de transferência de calor das anilhas internas do rolamento e do motor para o confinamento. Se o óleo utilizado para transferência de calor não for suficientemente arrefecido pelo confinamento, então o ar forçado arrefecido pode ser aplicado no exterior do confinamento. Alternativamente, o óleo do reservatório pode circular através de um permutador de calor dedicado de óleo/ar ou óleo/água para extrair mais calor do óleo e baixar ainda mais a temperatura do óleo antes de pulverizã-lo nos colares.

Além disso, em algumas aplicações do volante de inércia de velocidade muito alta, pode ser necessário utilizar óleo em vez de massa para lubrificar os rolamentos. Nestes casos, o mesmo óleo utilizado para a transferência de calor com os colares de arrefecimento pode ser utilizado para lubrificar os rolamentos. A quantidade de óleo necessária para lubrificar os rolamentos é muito pequena. Portanto pode ser entregue por vários métodos, incluindo jato, micro-dosagem, capilaridade ou deixando uma pequena quantidade do óleo que sai das palhetas do colar entrar no rolamento.

Implementações podem incluir múltiplos conjuntos de palheta ou colar instalados num único eixo para vários componentes geradores de calor ou melhorar o arrefecimento de um componente. Os gases que possuem maior condutividade térmica e calor específico do que o ar (por exemplo, hélio e hidrogénio) podem ser utilizados para melhorar a transferência de calor em vácuo parcial e aplicações envolvidas. Os conjuntos de palhetas podem ser construídos de metais bons condutores de calor (tal como cobre e alumínio) ou plásticos condutores termicamente.

Condução gasosa e arrefecimento convectivo podem ser proporcionados mantendo o intervalo entre o volante de inércia e o seu invólucro muito pequeno, permitindo assim que o calor flua do borda do volante de inércia e/ou do disco para o invólucro do refrigerador. Este mecanismo pode proporcionar uma segunda via de transferência de calor ou pode ser a principal via de transferência de calor.

As implementações de arrefecimento líquido podem incluir múltiplos conjuntos de palheta ou colar instalados num único eixo para arrefecer vários componentes geradores de calor ou melhorar o arrefecimento de um componente . Se o óleo é utilizado como fluido de arrefecimento, também pode ser utilizado para lubrificar os rolamentos. Os conjuntos de palhetas podem ser construídos de metais bons condutores de calor (tal como cobre e alumínio) ou plásticos condutores termicamente. 0 fluido utilizado para arrefecer pode ser óleo, água ou um fluido de transferência de calor.

Conforme utilizado nas reivindicações, quando se diz que um elemento está "fixado" a outro elemento que inclui, no caso de haver um ou mais elementos intermediários entre os elementos, bem como no caso no qual os elementos estão em contacto direto.

Nem todas as características descritas acima e que aparecem em algumas das reivindicações abaixo são necessárias para praticar a invenção. Apenas as características relatadas numa reivindicação particular são necessárias para praticar a invenção descrita nessa reivindicação. As características foram intencionalmente deixadas fora das reivindicações, de modo a descrever a invenção numa amplitude consistente com a contribuição dos inventores. Por exemplo, embora em algumas implementações as palhetas intercaladas sejam utilizadas para transferir calor, tais palhetas intercaladas não são necessárias para praticar a invenção de outras reivindicações. Embora em algumas implementações o refrigerante líquido circule sobre palhetas, o refrigerante líquido não é necessário para praticar a invenção de outras reivindicações.

DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, ο IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patente referidos na descrição • US 6973847 B [0002] [0018] • DE 19909491 AI [0005] • EP 1193837 A [0005] • US 20040244513 A [0005] • US 20050040776 A [0005]

Claims (2)

REIVINDICAÇÕES

1. Aparelho que compreende: um elemento rotativo; um ou mais componentes geradores de calor incluindo um rolamento que suporta o elemento rotativo; aparelho de arrefecimento configurado para transferir calor e arrefecer um ou mais componentes geradores de calor; o aparelho que compreende ainda: um invólucro (14) que envolve o elemento rotativo (12) num vácuo parcial mantido pelo invólucro; um primeiro elemento de transferência de calor que compreende uma primeira pluralidade de palhetas (66) dentro do invólucro e fixado ao elemento rotativo (12) de tal modo que a primeira pluralidade de palhetas girará com o elemento rotativo em relação ao invólucro; um segundo elemento de transferência de calor que compreende uma segunda pluralidade de palhetas (62) dentro do invólucro fixado em relação ao invólucro (14) de tal modo que as primeiras palhetas se movem em relação às segundas palhetas, as segundas palhetas (62) definindo intervalos (64) nos quais as primeiras palhetas (66) se estendem de modo que as primeiras e segundas palhetas sejam intercaladas e em que as primeiras e segundas palhetas (66, 62) estão localizadas adjacentes ao rolamento (18,20) que suporta o elemento rotativo (12), o rolamento (18, 20) tem uma anilha interna (30, 32) e uma anilha externa (26, 28), as primeiras palhetas (66) e a anilha interna (30, 32) são fixadas ao elemento rotativo (12) assim o calor flui por condução da anilha interna (30, 32) para as primeiras palhetas (66) e do elemento rotativo (12) para as primeiras palhetas (66), a anilha externa (30, 28) é fixada ao invólucro (14), e a anilha interna (30, 32) , elemento rotativo (12), primeiras palhetas (66) e segundas palhetas (62) são dimensionadas e posicionadas de modo que o calor da anilha interna do rolamento flui por condução sólida da anilha interna (30, 32) para o elemento rotativo (12) e para as primeiras palhetas (66), por condução sólida do elemento rotativo para as primeiras palhetas, e principalmente por condução gasosa a partir da primeiras palhetas (66) para as segundas palhetas (62) e por condução sólida das segundas palhetas (62) para o exterior do invólucro (14).

2. 0 aparelho da reivindicação 1 em que o gãs dentro do invólucro (14) tem uma condutividade térmica mais elevada que o ar, 3 . 0 aparelho da reivindicação 1 em que a separação entre as primeiras palhetas (66) e segundas palhetas (62) é maior que 0,025 mm mas menor que 10 mm. 4 . 0 aparelho da reivindicação 1 em que a separação entre as primeiras palhetas e as segundas palhetas é maior que 0,5 mm mas menor que 1 mm. 5. 0 aparelho da reivindicação 1 em que 0 eixo de rotação em torno do qual o elemento rotativo (12) gira define uma direção axial, as primeiras palhetas (66) são elementos cilíndricos que se estendem numa primeira direção ao longo da direção axial a partir de uma primeira base fixada ao elemento rotativo, as segundas palhetas são elementos cilíndricos que se estendem numa segunda direção ao longo da direção axial, oposta à primeira direção, a partir de uma segunda base fixada ao invólucro (14), e os intervalos (64) entre as segundas palhetas (62) são canais cilíndricos formados e posicionados para receber as primeiras palhetas cilíndricas (66). 6. 0 aparelho da reivindicação 1 em que 0 eixo de rotação em torno do qual o elemento rotativo (12) gira define uma direção axial, as primeiras e segundas palhetas são elementos planos que se estendem em direções radiais perpendiculares à direção axial, e os intervalos entre as segundas palhetas sâo canais planos formados e posicionados para receber as primeiras palhetas 1 0· ΓΤ Oi L, ( 7 . 0 aparelho da reivindicação 1 em que o aparelho compreende pelo menos dois rolamentos (18, 20), cada um com os seus próprios primeiro e segundo elementos de transferência de calor conforme descrito. 8 . 0 aparelho da reivindicação 1 em que o elemento rotativo (12) é um volante de inércia e o volante de inércia e o invólucro são parte de um estabilizador de rolo giroscópico (10) para um barco. 9 . 0 aparelho da reivindicação 1 em que o elemento rotativo (12) é um volante de inércia e o volante de inércia e invólucro são parte de um sistema de armazenamento de energia para o volante de inércia. 10. 0 aparelho da reivindicação 1 que compreende ainda um dissipador de calor para o qual o calor flui a partir das segundas palhetas. 11. 0 aparelho da reivindicação 10 em que o dissipador de calor compreende aletas arrefecidas a ar no exterior do invólucro. 12. 0 aparelho da reivindicação 1 em que o gás dentro do invólucro (14) e entre o primeiro e segundo elementos de transferência tem uma via livre média molecular no vácuo parcial igual ou menor que a distância entre as primeiras e segundas palhetas (66, 62). 13. 0 aparelho da reivindicação 1 que compreende uma pluralidade de conjuntos de primeiras e segundas palhetas (66, 62) . 14. 0 aparelho da reivindicação 2 em que a transferência de calor entre o primeiro e segundo elemento de transferência de calor é principalmente por condução gasosa utilizando hélio gasoso ou hidrogénio gasoso. 15. 0 aparelho da reivindicação 1 em que o componente gerador de calor compreende um ou mais motores elétricos (16).