WO2010112654A1 - Intercambiador de calor - Google Patents

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WO2010112654A1 PCT/ES2010/070186 ES2010070186W WO2010112654A1 WO 2010112654 A1 WO2010112654 A1 WO 2010112654A1 ES 2010070186 W ES2010070186 W ES 2010070186W WO 2010112654 A1 WO2010112654 A1 WO 2010112654A1
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plate
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Jérôme BARRAU
Joan Ignasi Rosell Urrutia
Manuel IBAÑEZ PLANA
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Universitat De Lleida
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    • F28F3/048—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of ribs integral with the element or local variations in thickness of the element, e.g. grooves, microchannels
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Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger whose configuration allows to obtain in a controlled way temperature profiles of the objective to be cooled very varied, which allows it to be applied especially in high concentration photovoltaic cells, in electronic devices in general or in any heat generating device
  • heat exchangers comprising a circulation channel of a cooling fluid, preferably airtight, and a heat conductive plate in thermal contact on the one hand with the device to be cooled, a photovoltaic cell or an electronic component are known , and whose other side configures one of the major surfaces of the flat channel.
  • the present invention proposes a heat exchanger for heat generating devices, comprising:
  • a conductive plate in thermal contact on one side with the device and whose other side configures one of the major surfaces of the channel, which is characterized by the fact that it comprises a plurality of heat conducting fins emerging from the plate inwards of the channel, said fins being distributed according to both dimensions so that the linear density of fins in the transverse dimension is variable in the circulation dimension.
  • the invention may preferably comprise the following advantageous features, individually or according to all combinations technically possible and conceivable by one skilled in the art:
  • the exchanger according to the invention comprises a second plate that configures the other major surface of the channel.
  • the fins extend along the channel between both plates.
  • the plate is rectangular, the channel openings are two linear openings arranged on two opposite sides of the plate and the circulation and transverse dimensions are each parallel to the pairs of sides of the plate respectively.
  • the exchanger may comprise a second symmetrical channel with the opening facing the opening of the first channel.
  • the heat exchanger may comprise deflection means of a fluid flow to both openings.
  • the outlet opening or means comprise flow deflection in the direction perpendicular to that of the channel.
  • the fins are arranged in successive rows in the direction of circulation, with the fin density of the rows increasing in that direction.
  • the plates are circular, the inlet opening is a hole in the center of the second plate and the circulation and transverse dimensions are radial and tangential respectively.
  • the leading edge of the fins has a water drop configuration.
  • the heat exchanger of the invention may comprise integrated means for driving a water jet in the channel.
  • the fins have a length between 2.9 and 3.1 mm and / or have a width between 1.2 and 1.3 mm.
  • the channel has a height between 2 and 3 mm and more preferably 2.5 mm.
  • the invention also relates to a heat generating device provided with one or more exchangers according to the invention, arranged attached.
  • the heat generating components are electronic components or photovoltaic cells, especially concentration.
  • Figure 1 is a plan view of the exchanger according to a first preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a side elevation view of the exchanger according to the embodiment of Figure 1.
  • Figure 3 is a perspective view of the heat exchanger according to the first embodiment of the invention.
  • Figure 4 represents graphs in which temperature profiles are represented along photovoltaic cells with an exchanger according to the attached invention.
  • the invention pertains to the technical sector of heat exchangers 1 for heat generating devices, especially concentration photovoltaic cells, provided with:
  • the present invention is characterized in that it comprises a plurality of heat conducting fins 5 emerging from the plate 3 into the channel 2, the fins 5 being distributed according to both dimensions X, Y so that the linear density of fins ⁇ ai in the transverse dimension Y is variable in the circulation dimension X.
  • ⁇ ai is a function of X, although obviously, it can also be a function of Y.
  • Figure 4 represents several temperature profiles obtained with several exchangers.
  • the channel is closed by a second plate 6 and the fins 5 extend along the channel 2 between both plates 3, 6, so that they can also constitute support pillars between both plates.
  • the plate 3 is rectangular, the openings I, S of the channel 2 are two linear openings I, S arranged on two opposite sides of the plate 3 and the circulation dimensions X and transverse Y are each parallel to the pairs of sides of the plate 3 respectively.
  • This design can be improved by supplying a second symmetrical channel 2b with the opening I 2 located in front of the opening I of the first channel 2 and preferably providing means for deflection of a fluid flow to both openings.
  • the fluid which enters through the central opening, separates and enters through two openings I and I 2 to pass through the exchanger to the exits 0 of the latter through the channels 2 and 2b.
  • the outlet opening (s) comprise means for deflection of the flow in the direction perpendicular to that of channel 2, to improve the final compactness of the assembly.
  • this output flow generally hot after having extracted the heat from the heat generating device or the photovoltaic cell to which the exchanger is attached, is led to a secondary exchanger (not shown), where it will detach of heat to circulate again through the exchanger.
  • the heat finally extracted can be sent to the environment, but preferably it can be used in some process.
  • the fins are arranged in successive rows in the direction of circulation, the fin density 5 of the rows being increased in that direction.
  • the plates 3 are circular, the inlet opening I is a hole in the center of the second plate and the dimensions of x and transverse circulation and are radial and tangential respectively.
  • This configuration can be applied in circular wafers or in any electronic device that rests on a circular plate, such as a photovoltaic plate with a circular concentration.
  • the fins can have any aero or hydrodynamic configuration that minimizes load losses, in combination with turbulence generating elements that allow greater heat exchange between fluid and fins.
  • a preferred shape of the fins is with the edge of attack in the form of a drop of water, or cylindrical or other forms adapted to the specific needs of each application.
  • the heat exchanger is specially designed to operate with a water jet driven at high speed against the plate and in a direction perpendicular to it, a technique called Anglo-Saxon as Jet impingement. To this end, the invention provides adequate means to drive the jet at the proper speed.
  • a suitable channel width between 1.2 and 1.3 mm. Also, a suitable channel width would be between 2 and 3 mm, and would be more preferably about 2.5 mm.
  • the invention also relates to a device provided with heat generating components, which comprises a heat exchanger attached according to any of the described embodiments.
  • This heat generating device can have electronic components or consist of a photovoltaic plate, especially of concentration.

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Abstract

Intercambiador de calor (1) para dispositivos generadores de calor, que comprende un primer canal (2) sustancialmente plano de modo que se definen en el canal una dimensión (X) de circulación de un fluido refrigerante (F) y una dimensión transversal (Y) a la dimensión de circulación (X) y una placa (3) conductora en contacto térmico por un lado (3a) con el dispositivo generador de calor y cuyo otro lado (3b) configura una de las superficies mayores del canal (2), que comprende una pluralidad de aletas (5) conductoras de calor que emergen de la placa (3) hacia el interior del canal (2), estando distribuidas dichas aletas modo que la densidad lineal de aletas (λal) en la dimensión transversal (Y) es variable en la dimensión de circulación (X), lo cual permite obtener perfiles de temperatura muy variados y además de forma controlada, haciéndolo idóneo para refrigerar células fotovoltaicas de concentración.

Description

INTERCAMBIADOR DE CALOR
La presente invención se refiere a un intercambiador de calor cuya configuración permite obtener de forma controlada perfiles de temperatura del objetivo a refrigerar muy variados, lo cual le permite ser aplicado en especial en células fotovoltaicas de alta concentración, en dispositivos electrónicos en general o en cualquier dispositivo generador de calor.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Es bien sabido que los dispositivos semiconductores generan calor durante su funcionamiento. Ese es el caso de los dispositivos electrónicos en general y muy especialmente en células fotovoltaicas .
En este último caso, la generación de calor es un inconveniente mayor puesto que afecta muy fuertemente al rendimiento de las células fotovoltaicas . Entre las soluciones conocidas para proporcionar una buena refrigeración están las que se basan en la convección natural y las que se basan en la impulsión forzada de un flujo de refrigeración.
En este último caso, son conocidos los intercambiadores de calor que comprenden un canal de circulación de un fluido refrigerante, preferentemente estanco, y una placa conductora de calor en contacto térmico por un lado con el dispositivo a refrigerar, una célula fotovoltaica o un componente electrónico, y cuyo otro lado configura una de las superficies mayores del canal plano.
Para mejorar la eficiencia de intercambio de calor, ya se ha previsto dividir el canal en varios canales empleando separaciones conductoras. Sin embargo, aunque se mejora el intercambio de calor, presenta el inconveniente de que el perfil de temperaturas es una función monótona creciente o decreciente según el sentido del intercambio de calor, lo cual implica forzosamente diferencias de temperatura a lo largo de la placa y por lo tanto del dispositivo electrónico .
Este inconveniente mayor supone un obstáculo más a la eficiencia de las células fotovoltaicas, muy especialmente en las de concentración Además, la falta de uniformidad y/o de control sobre el perfil de temperaturas en células fotovoltaicas de concentración plantea problemas mecánicos debido a dilataciones poco previsibles.
Por lo que el solicitante considera necesario desarrollar un intercambiador de calor que lo supere.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Para ello, la presente invención propone un intercambiador de calor para dispositivos generadores de calor, que comprende:
- un primer canal sustancialmente plano de modo que se definen en el canal una dimensión de circulación de un fluido refrigerante y una dimensión transversal a la dimensión de circulación y
- una placa conductora en contacto térmico por un lado con el dispositivo y cuyo otro lado configura una de las superficies mayores del canal, que se caracteriza por el hecho de que comprende una pluralidad de aletas conductoras de calor que emergen de la placa hacia el interior del canal, estando distribuidas dichas aletas según ambas dimensiones de modo que la densidad lineal de aletas en la dimensión transversal es variable en la dimensión de circulación. Un intercambiador con estas características permite obtener perfiles de temperatura con el perfil deseado en el dispositivo generador de calor, y en especial con variaciones de temperatura a lo largo de la dirección de circulación del fluido menores que en el caso de los intercambiadores del estado de la técnica.
Asimismo, se pueden obtener, jugando con las densidades lineales de aletas, perfiles de temperatura muy variados que obedezcan a las necesidades de extracción especificas del dispositivo que va adosado al intercambiador.
Otra ventaja que permite es que es de fácil especificación, puesto que solamente se van variando para cada diseño de intercambiador, la "matriz de aletas" en el canal . La invención puede comprender preferentemente las siguientes características ventajosas, individualmente o según todas las combinaciones técnicamente posibles y concebibles por un experto en la materia:
-El intercambiador según la invención comprende una segunda placa que configura la otra superficie mayor del canal.
-Las aletas se extienden por el canal entre ambas placas .
-La placa es rectangular, las aberturas del canal son dos aberturas lineales dispuestas en dos lados opuestos de la placa y las dimensiones de circulación y transversal son cada una paralelas a los pares de lados de la placa respectivamente.
-El intercambiador puede comprender un segundo canal simétrico con la abertura situada frente a la abertura del primer canal.
-El intercambiador de calor puede comprender medios de deflexión de un caudal de fluido hacia ambas aberturas . -La o las aberturas de salida comprenden medios de deflexión del caudal en dirección perpendicular a la del canal .
-Las aletas están dispuestas en filas sucesivas en el sentido de circulación, siendo la densidad de aletas de las filas creciente en dicho sentido.
-Según otra variante del intercambiador de la invención, las placas son circulares, la abertura de entrada es un agujero en el centro de la segunda placa y las dimensiones de circulación y transversal son la radial y la tangencial respectivamente.
-El borde de ataque de las aletas tiene configuración de gota de agua.
-El intercambiador de calor de la invención puede comprender medios integrados para impulsar un chorro de agua en el canal.
-Las aletas tienen una longitud comprendida entre 2,9 y 3,1 mm y/o tienen una anchura comprendida entre 1,2 y 1,3 mm.
-El canal tiene una altura comprendida entre 2 y 3 mm y más preferentemente de 2,5 mm.
La invención también se refiere a un dispositivo generador de calor provisto de uno o más intercambiadores según la invención, dispuestos adosados.
Finalmente, los componentes generadores de calor son componentes electrónicos o células fotovoltaicas, en especial de concentración.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para mejor comprensión de cuanto se ha expuesto se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a titulo de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización.
La figura 1 es una vista en planta del intercambiador según una primera realización preferida de la invención.
La figura 2 es una vista en alzado lateral del intercambiador según la realización de la figura 1.
La figura 3 es una vista en perspectiva del intercambiador de calor según la primera realización de la invención .
La figura 4 representa unas gráficas en las que se representan perfiles de temperatura a lo largo de células fotovoltaicas con un intercambiador según la invención adosado.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA
Tal como se ilustra en las figuras 1 a 3, la invención pertenece al sector técnico de los intercambiadores de calor 1 para dispositivos generadores de calor, en especial células fotovoltaicas de concentración, provistos de:
- un primer canal 2 sustancialmente plano de modo que se definen en el canal una dimensión X de circulación de un fluido refrigerante F y una dimensión transversal Y a la dimensión de circulación X y
- una placa 3 conductora en contacto térmico por un lado 3a con el dispositivo y cuyo otro lado 3b configura una de las superficies mayores del canal 2.
Concretamente, tal como es visible en la figura 1, la presente invención se caracteriza por el hecho de que comprende una pluralidad de aletas 5 conductoras de calor que emergen de la placa 3 hacia el interior del canal 2, estando distribuidas las aletas 5 según ambas dimensiones X, Y de modo que la densidad lineal de aletas λai en la dimensión transversal Y es variable en la dimensión de circulación X.
Es decir, según la invención, λai es una función de X, aunque evidentemente, también puede ser función de Y. El resultado de esta disposición se puede apreciar en la figura 4, que representa varios perfiles de temperatura obtenidos con varios intercambiadores.
En especial, es interesante comparar los perfiles de temperatura obtenidos con microcanales, que representan el estado de la técnica, es decir una función monótona creciente, con los perfiles obtenidos con la invención, denominados híbridos en la leyenda, como por ejemplo el denominado HÍBRIDO UNIFORMIDAD, que ilustra las posibilidades del intercambiador de la invención para obtener perfiles de temperatura con poca variación de esta .
Obviamente, aunque su aplicación se centrará en la práctica principalmente para extraer calor, también puede emplearse para elevar la temperatura de un dispositivo, y todo ello con un perfil de temperaturas deseado.
Tal como se aprecia en las figuras 1 a 3, el canal queda cerrado por una segunda placa 6 y las aletas 5 se extienden por el canal 2 entre ambas placas 3, 6, de modo que también pueden constituir pilares de soporte entre ambas placas.
Según una primera realización de la invención, la placa 3 es rectangular, las aberturas I, S del canal 2 son dos aberturas lineales I, S dispuestas en dos lados opuestos de la placa 3 y las dimensiones de circulación X y transversal Y son cada una paralelas a los pares de lados de la placa 3 respectivamente.
Este diseño se puede mejorar suministrando un segundo canal simétrico 2b con la abertura I2 situada frente a la abertura I del primer canal 2 y disponiendo preferentemente medios de deflexión de un caudal de fluido hacia ambas aberturas.
El fluido, que entra por la abertura central se separa y entra por sendas aberturas I e I2 para atravesar el intercambiador hasta las salidas 0 de este por los canales 2 y 2b.
Preferentemente, la o las aberturas de salida comprenden medios de deflexión del caudal en dirección perpendicular a la del canal 2, para mejorar la compacidad final del conjunto.
En el caso de circuito cerrado, este caudal de salida, en general caliente tras haber extraído el calor del dispositivo generador de calor o la célula fotovoltaica al que está adosado el intercambiador, es conducido a un intercambiador secundario (no ilustrado) , donde se desprenderá del calor para volver a circular por el intercambiador. El calor finalmente extraído puede ser enviado al ambiente, pero preferentemente puede ser aprovechado en algún proceso.
En la configuración de intercambiador rectangular, ilustrada en las figuras 1 a 3, las aletas están dispuestas en filas sucesivas en el sentido de circulación, siendo la densidad de aletas 5 de las filas creciente en dicho sentido.
Según una segunda realización preferida de la invención (no representada) , las placas 3 son circulares, la abertura de entrada I es un agujero en el centro de la segunda placa y las dimensiones de circulación x y transversal y son la radial y la tangencial respectivamente. Esta configuración puede tener aplicación en obleas circulares o bien en cualquier dispositivo electrónico que descanse sobre una placa circular, como podría ser por ejemplo una placa fotovoltaica de concentración circular.
Las aletas pueden tener cualquier configuración aero o hidrodinámica que reduzca al máximo las pérdidas de carga, en combinación con elementos generadores de turbulencia que permitan un mayor intercambio de calor entre fluido y aletas.
Una forma preferida de las aletas es con el borde de ataque en forma de gota de agua, o bien cilindrica u otras formas adaptadas a las necesidades especificas de cada aplicación.
El intercambiador de calor está especialmente concebido para funcionar con un chorro de agua impulsado a gran velocidad contra la placa y en dirección perpendicular a esta, técnica denominada en anglosajón como Jet impingement . Para ello, la invención prevé los medios adecuados para impulsar el chorro a la velocidad adecuada .
Asimismo, se ha demostrado experimentalmente que las combinaciones de dimensiones de las aletas siguientes se adaptan especialmente bien a la invención:
- longitud comprendida entre 2,9 y 3,1 mm.
- anchura comprendida entre 1,2 y 1,3 mm. Asimismo, una anchura de canal adecuada estarla comprendida entre 2 y 3 mm, y seria más preferentemente de unos 2 , 5 mm.
La invención también se refiere a un dispositivo provisto de componentes generadores de calor, que comprende adosado un intercambiador de calor según cualquiera de las realizaciones descritas.
Este dispositivo generador de calor puede tener componentes electrónicos o bien consistir en una placa fotovoltaica, en especial de concentración.
Asimismo, se puede fabricar a escala microscópica, o a escala aún más reducida, es decir a nanoescala. Hay que destacar que en estos casos su eficiencia mejora sustancialmente al mejorar la relación superficie/ volumen (también denominado factor de forma que tiene dimensiones de m1) . Además, las nuevas tecnologías de nano- fabricación, ya sean por ataque químico o por extracción, ofrecen muchas posibilidades para variar la geometría de las aletas.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Intercambiador de calor (1) para dispositivos generadores de calor, que comprende
- un primer canal (2) sustancialmente plano de modo que se definen en el canal una dimensión (X) de circulación de un fluido refrigerante (F) y una dimensión transversal (Y) a la dimensión de circulación (X) y
- una placa (3) conductora en contacto térmico por un lado (3a) con el dispositivo generador de calor y cuyo otro lado (3b) configura una de las superficies mayores del canal (2) , caracterizado por el hecho de que comprende una pluralidad de aletas (5) conductoras de calor que emergen de la placa (3) hacia el interior del canal (2), estando distribuidas dichas aletas (5) según ambas dimensiones (L, T) de modo que la densidad lineal de aletas (λai) en la dimensión transversal (Y) es variable en la dimensión de circulación (X) .
2. Intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1, que comprende una segunda placa (6) que configura la otra superficie mayor del canal (2) .
3. Intercambiador de calor (1) según la reivindicación anterior, en el que las aletas (5) se extienden por el canal (2) entre ambas placas (3, 6) .
4. Intercambiador de calor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la placa (3) es rectangular, las aberturas (I, S) del canal (2) son dos aberturas lineales (I, S) dispuestas en dos lados opuestos de la placa (3) y dichas dimensiones de circulación (x) y transversal (y) son cada una paralelas a los pares de lados de la placa (3) respectivamente.
5. Intercambiador de calor (1) según la reivindicación 4, que comprende un segundo canal simétrico (2b) con la abertura (I2) situada frente a la abertura (I) del primer canal (2) .
6. Intercambiador de calor (1) según la reivindicación anterior, que comprende medios de deflexión de un caudal de fluido hacia ambas aberturas.
7. Intercambiador de calor (1) según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en el que la o las aberturas de salida comprenden medios de deflexión del caudal en dirección perpendicular a la del canal (2) .
8. Intercambiador de calor (1) según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en el que las aletas están dispuestas en filas sucesivas en el sentido de circulación, siendo la densidad de aletas (5) de las filas creciente en dicho sentido.
9. Intercambiador de calor (1) según la reivindicación 2 o la 3, en el que las placas (3) son circulares, la abertura de entrada (I) es un agujero en el centro de la segunda placa y las dimensiones de circulación (x) y transversal (y) son la radial y la tangencial respectivamente.
10. Intercambiador de calor (1) según cualquiera délas reivindicaciones anteriores, en el que el borde de ataque de las aletas (5) tiene configuración de gota de agua .
11. Intercambiador de calor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios para impulsar un chorro de agua en el canal (2) .
12. Intercambiador de calor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las aletas tienen una longitud comprendida entre 2,9 y 3,1 mm.
13. Intercambiador de calor (1) según la reivindicación anterior, en el que las aletas tienen una anchura comprendida entre 1,2 y 1,3 mm.
14. Intercambiador de calor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el canal (2) tiene una altura comprendida entre 2 y 3 mm.
15. Intercambiador de calor (1) según la reivindicación anterior en el que el canal (2) tiene una altura de 2,5 mm.
16. Dispositivo provisto de componentes generadores de calor, que comprende adosado un intercambiador de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
17. Dispositivo generador de calor según la reivindicación anterior, en el que dichos componentes son componentes electrónicos o una placa fotovoltaica .
PCT/ES2010/070186 2009-04-03 2010-03-29 Intercambiador de calor WO2010112654A1 (es)

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ESP200930035 2009-04-03
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