CONTROL TÉRMICO CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un calentador de arranque que se utiliza en un dispositivo de control térmico que controla la temperatura de una fuente de calor, particularmente para uso en un artefacto o nave espacial.

ANTECEDENTES

La mayor parte de los componentes y subsistemas de una nave espacial deben funcionar dentro de intervalo s de temperatura restringidos . Esto hace del control térmico un aspecto crucial en el diseño y funcionamiento de una nave espacial, con un impacto significativo en el peso, en la potencia y en el coste, en los presupuestos totales para la nave espacial.

El control térmico de las naves espaciales se basa en el equilibrio térmico de la nave espacial : las cargas de calor deben ser expulsadas al espacio profundo, que trabaj a como sumidero de calor. Puesto que no hay materia que conecte este sumidero y la nave espacial, la expulsión se realiza por radiación térmica por medio de unos radiadores dedicados o ex profeso, instalados en las superficies externas del satélite .

Las cargas térmicas de la nave espacial provienen de la disipación de lo s equipos internos de la nave espacial y, externamente, del so l y de la tierra, o de los cuerpos celestes en torno a los cuales órbita la nave espacial. Los sistemas térmicos que se utilizan en las naves espaciales deben, por tanto, ser capaces de controlar lo s equipos que funcionan a elevada temperatura y también de forma discontinua.

En el presente, los dispositivo s térmicos conocidos para controlar las cargas térmicas en una nave espacial son bucles de transferencia de calor de dos fases, los cuales se conocen también en la práctica de la ingeniería como conductos de calor en bucle, bucles bombeados por capilaridad, bucles bombeados mecánicamente o bucles de calor, como , por ejemp lo , los que se muestran en el documento PCT/ES 2008/0701 8 1 . También, los conductos de calor se conocen como dispositivo s térmico s para nave espacial. El propósito de estos dispositivo s conocidos en una nave espacial es transferir calor entre una fuente de calor (por ej emplo, un elemento electrónico) y un sumidero de calor (por ej emplo, una placa fría) . En lo s dispositivos más comunes para controlar las cargas térmicas en un artefacto o nave espacial, que son los bucles de transferencia de calor de dos fases y lo s conductos de calor, el calor es transferido a través de un ciclo de evaporación- condensación de un fluido de trabajo que se mantiene dentro de un recipiente obturado o cerrado herméticamente . Sin embargo, los bucles de transferencia de calor de dos fases presentan diversas características específicas y distintivas de su funcionamiento cuando se comparan con lo s conductos de calor: una de tales características específicas es el comportamiento en el arranque. Los conductos de calor arrancan habitualmente de inmediato, sin necesidad de ningún dispositivo de arranque, puesto que la superficie de separación o interfaz de líquido- vapor está siempre presente en el evaporador del conducto de calor (no se consideran los casos especiales en los que, por ej emplo, está presente la fase só lida o so lo la fase de vapor), de tal manera que la transferencia de calor debida al cambio de fase se produce de inmediato tan pronto como se aplica calor al evaporador del conducto de calor.

Sin embargo, la puesta en marcha o arranque en lo s bucles de transferencia de calor de dos fases requiere a menudo un dispositivo de arranque, al ser el problema del arranque mucho más complejo . En general, el arranque depende de un cierto número de factores, tales como :

- la distribución del vapor y del líquido en la cámara de compensación del evaporador, que depende de :

° la cantidad de fluido de trabajo, de tal modo que el nivel del líquido de llenado en la cámara de compensación y en el evaporador tienen una influencia decisiva en el bucle de transferencia de calor de dos fases;

° el historial previo, tal como procedimientos de parada previa y de acondicionamiento preliminar, así como manipulación (movimiento , rotación, tensiones, etc .) del bucle de transferencia de calor de dos fases; ° la orientación de lo s componentes del bucle de transferencia de calor de dos fases (evaporador, cámara de compensación, condensador) en el campo gravitatorio (u otra fuerza de aceleración) ; es también de gran importancia mencionar la elevada dificultad que implica la predicción de la distribución del fluido en condiciones de 0 g, de tal modo que resulta, en consecuencia, prácticamente imposible predecir la situación o escenario del bucle de transferencia de calor de dos fases si no hay ningún procedimiento de acondicionamiento previo (incluyendo el calor de arranque como método más eficiente) antes de la aplicación de la potencia principal al evaporador;

- la geometría de lo s elementos del bucle de transferencia de calor de dos fases : la forma y el número de acanaladuras de recogida y extracción de vapor en el diseño del evaporador, el diseño y lo s parámetros de la mecha, la longitud, lo s diámetros y el diseño interno de las líneas o conducciones de vapor y líquido, el diseño del condensador, el diseño de la cámara de compensación, la presencia y propiedades de una mecha secundaria, etc.

- la potencia de entrada: habitualmente, es más fiable y presenta un pico en exceso o sobrepico de menor temperatura para una potencia de entrada mayor;

- la temperatura del sumidero de calor;

- las propiedades termofísicas y químicas del fluido de trabajo ;

- las condiciones ambientales y el aislamiento térmico de lo s componentes del bucle de transferencia de calor de dos fases;

- la presencia de gas no condensado y su cantidad, puesto que el gas no condensado puede influir en el proceso de ebullición en las acanaladuras de valor, estimulando el arranque, si bien el gas no condensado puede impedir el arranque si es recogido en la mecha o/y en el núcleo de la mecha del evaporador;

- la masa o carga útil del evaporador.

Todos los factores anteriores conducen a diferentes situaciones de arranque. Puede resultar fácil e inmediato el comienzo de la circulación de líquido, sin que exista un pico en exceso de temperatura: tan pronto como se aplica potencia al evaporador, la temperatura se incrementa gradualmente hasta cierta magnitud de estado estacionario; este tipo de arranque se caracteriza por una distribución inicial del fluido de trabajo en el bucle cuando las acanaladuras de extracción de vapor y la conducción de vapor están vacías de líquido . También, el arranque del bucle de transferencia de calor de dos fases puede estar asociado con un incremento durante un tiempo prolongado y significativo de la temperatura del evaporador, hasta que se inicia la circulación y la temperatura del evaporador (fuente de calor) se reduce hasta un valor de estado estacionario . Esta incremento de temperatura de arranque puede conducir a un arranque fallido en el caso de que se alcance el límite superior de temperatura para el bucle de transferencia de calor de dos fases (o para el equipo enfriado) durante el proceso . Tales arranques difíciles pueden producirse cuando la fase líquida permanece en las acanaladuras de extracción de vapor del evaporador y en la conducción de vapor. En tal caso , deben generarse burbuj as de vapor (ebullición) en las acanaladuras de extracción de vapor existentes en el evaporador, a fin de empuj ar el líquido fuera del evaporador y al interior del condensador. Sin embargo, el procedimiento de ebullición tiene una naturaleza estocástica y puede necesitarse un pico en exceso de temperatura para el líquido, por encima del estado de saturación, diferente para lo s distintos casos . Por lo común, el sobrecalentamiento requerido no es muy alto (algunos grados Celsius) . Sin embargo , el peor caso de distribución del fluido de trabajo se produce cuando las acanaladuras de extracción de calor del evaporador están llenas de líquido y el núcleo central de la mecha está lleno de vapor. En esta situación, resulta difícil llegar al líquido en sobrecalentamiento presente en las acanaladuras de extracción de vapor, ya que está llegando calor a través de la mecha saturada de líquido, al interior del núcleo central de la mecha, donde se produce la evaporación. El fluido evaporado se condensa en la cámara de compensación, lo que conduce a pequeñas diferencias entre la temperatura del líquido saturado en la mecha, cerca del núcleo central, y la temperatura del líquido sobrecalentado que se encuentra en las acanaladuras de extracción de vapor del evaporador.

Para resolver el problema de la dificultad de arranque en bucles de transferencia de calor de dos fases, se han propuesto diferentes soluciones en el estado de la técnica, tal y como se describirá.

La so lución más común es la instalación de pequeño s calentadores de arranque de uso exclusivo o ex profeso , de elevada densidad de flujo de calor, en el cuerpo del evaporador. El calentador de arranque puede crear un elevado pico en exceso de temperatura local en la pared del evaporador, que sirve para generar la primera burbuj a en el punto correspondiente dentro del evaporador. La desventaj a de este método está relacionada con el emplazamiento del calentador. Como regla, el evaporador comprende una caperuza especial de aluminio para una mejor disposición de contacto de interfaz térmica con la fuente de calor. De esta forma, el calentador de arranque se instala, por lo común, dentro de esta caperuza, de manera que es bastante difícil proporcionar un aporte de calor concentrado dentro de las acanaladuras de extracción de vapor del evaporador, ya que la caperuza de interfaz de aluminio está funcionando como un eficaz distribuidor o difusor térmico . Es más, esto conduce al incremento de las reservas de potencia para el calentador de arranque, lo que constituye un aspecto crucial en las aplicaciones espaciales, ya que solo una parte de la potencia aplicada al calentador de arranque se dedica al arranque, perdiéndose otra parte en el calentamiento del cuerpo principal del evaporador (incluyendo la caperuza), debido al ineficiente modo de instalación del calentador. S e utilizan también, convencionalmente, calentadores de poliimida de Kapton flexibles, lo s cuales presentan limitaciones en las densidades de flujo de calor por parte de los proveedores que suministran dichos calentadores, de manera que no se proporciona el flujo de calor requerido para el arranque.

Otra solución generalizada para aplicaciones espaciales es la instalación de un elemento de Peltier (refrigerador termoeléctrico) en el evaporador (lado caliente) o en la cámara de compensación (lado frío) . Este método habitualmente garantiza un mejor comportamiento en el arranque del bucle de transferencia de calor de dos fases, debido a que se proporciona una refrigeración adicional de la cámara de compensación. Este efecto ayuda a llenar la cámara de compensación y el núcleo central del evaporador con líquido condensador, con lo que se crea una mayor caída de temperatura entre la cámara de compensación (núcleo central del evaporador) y el cuerpo del evaporador, facilitando, en última instancia, una primera generación de burbuj as en las acanaladuras de extracción de vapor del evaporador. Sin embargo, este método conocido sigue teniendo la misma desventaj a que la primera so lución citada (calentador de arranque), puesto que el elemento de Peltier ha de ser emplazado en la caperuza de aluminio del evaporador. Es más, la fiabilidad del elemento de Peltier puede ser un problema en aplicaciones espaciales porque las numerosas juntas bimetálicas necesarias en este caso pueden ser una fuente de posibles fallos del dispositivo . También, esta solución so lo puede utilizarse si la cámara de compensación del bucle de transferencia de calor de dos fases se coloca relativamente cerca del evaporador, ya que ha de garantizarse una conexión térmica efectiva entre el elemento de Peltier y la cámara de compensación / evaporador.

Hay también en el estado de la técnica un par de soluciones conocidas adicionales para el arranque del bucle de transferencia de calor de dos fases, menos extendidas, a saber:

- co locar un calentador en la cámara de compensación: esto se utiliza para el acondicionamiento previo del bucle de transferencia de calor de dos fases antes de aplicar la potencia principal al evaporador; este método proporciona una cierta distribución inicial del fluido de trabajo en el bucle de transferencia de calor de dos fases, pero lleva mucho tiempo y consume energía, y no garantiza un arranque fiable;

- co locar una bomba iniciadora por capilaridad o una pequeña bomba adicional que actúe por capilaridad (evaporador secundario), entre la cámara de compensación y la conducción de vapor, de tal modo que la potencia de calentamiento sea igual al calor que se fuga entre el evaporador principal y la cámara de compensación (lo que se conoce como concepto de conducto de calor de bucle avanzado), siendo dicha bomba añadida intrínsecamente robusta y to lerante a un sobrecalentamiento elevado; sin embargo, esta tecnología conduce a una más alta comp lejidad en el diseño del bucle de transferencia de calor de dos fases, a una menor fiabilidad y a un coste significativamente mayor del dispositivo : por esta razón, semej ante solución so lo es aplicable a sistemas de múltip les evaporadores / condensadores, los cuales están en desarro llo en el momento presente y no se aplican para el control térmico en aplicaciones espaciales (hasta ahora, tan solo se han llevado a cabo experimentos a este respecto).

En suma, lo s problemas de lo s dispositivos de arranque conocidos son los siguientes :

- no se sabe cuándo ha de efectuarse el arranque;

- no se sabe cuán eficazmente se lleva a cabo el arranque; - el arranque no se controla bien;

- cuando se aplica una potencia pequeña, el calor va a la masa del equipo del bucle de transferencia de calor de dos fases, pero no al fluido de trabajo, de manera que no se efectúa el arranque.

El calentador de arranque para dispositivo s de contro l térmico, de acuerdo con la presente invención, llega a resolver los inconvenientes anteriormente mencionados.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Como ya se ha mencionado, lo s calentadores de arranque actualmente utilizados en lo s dispositivo s de control térmico se encuentran situados, principalmente, en la parte externa de los dispositivo s de control térmico, de manera que proporcionan una instalación ineficiente en la que se requiere un calentador de alta densidad de flujo de calor. La presente invención propone, por lo tanto, un calentador de arranque para un dispositivo de control térmico de manera tal, que este calentador de arranque está integrado en el evaporador de dicho dispositivo de control térmico, con lo que se proporciona un sistema más eficiente.

De acuerdo con la invención, al menos un cartucho conductor, preferiblemente hecho de un material metálico, se inserta dentro de al menos una de las acanaladuras de extracción de vapor del evaporador existente en el dispositivo de control térmico , de tal modo que el cartucho comprende, en su interior, un elemento de calentamiento . El cartucho comprende una envoltura conductora en cuya sección se guarda un elemento de calentamiento, de tal modo que la envo ltura conductora se presenta, preferiblemente, con la forma de un cilindro que tiene un diámetro pequeño, el cual se inserta directamente en al menos una de las acanaladuras de extracción de vapor del evaporador, y se suelda, directamente o con aporte de material intermedio, dentro del cuerpo del evaporador con el fin de proporcionar una junta a prueba de fugas . Es posible utilizar también vario s calentadores para varias acanaladuras de extracción de vapor en el evaporador del dispositivo de control térmico .

Con la so lución de la invención, se proporciona un contacto térmico directo entre el elemento de calentamiento y el fluido de trabajo contenido en el evaporador, de manera que se aporta un sistema con una eficiencia térmica muy alta, puesto que el calor se aplica directamente donde se necesita.

Las características, propósitos y ventaj as de la invención se pondrán de manifiesto por la lectura de esta descripción, en combinación con los dibujos que acompañan.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 muestra perfiles de temperatura típicos de un evaporador y de un condensador de un bucle de transferencia de calor de dos fases de acuerdo con la técnica anterior, durante el arranque, con un pico en exceso o sobrepico de temperatura, y muestra también la distribución de fluido correspondiente dentro del evaporador del bucle de transferencia de calor de dos fases anterior a este tipo de arranque.

La Figura 2 muestra perfiles de temperatura típicos de un evaporador y de un condensador de un bucle de transferencia de calor de dos fases de acuerdo con la técnica anterior, durante un arranque sin pico en exceso de temperatura, y en ella se muestra también la distribución de fluido correspondiente dentro del evaporador del bucle de transferencia de calor de dos fases previo a este tipo de arranque.

La Figura 3 muestra una vista esquemática que representa lo s componentes de un bucle de transferencia de calor de dos fases que comprende un calentador de arranque externo, de acuerdo con la técnica anterior.

La Figura 4 muestra una vista esquemática que ilustra los componentes de un bucle de transferencia de calor de dos fases que comprende un calentador de arranque de acuerdo con la presente invención.

La Figura 5 muestra un corte transversal A-A de la vista esquemática, que ilustra lo s componentes de un bucle de transferencia de calor de dos bases que comprende un calentador de arranque ilustrado en la Figura 4, de acuerdo con la presente invención. DE SCRIPCIÓN DETALLADA DE REALIZACIONE S PREFERIDAS

La presente invención proporciona un calentador de arranque 90 que se utiliza en un dispositivo de control térmico que controla la temperatura de una fuente de calor 6 , particularmente para uso en un artefacto o nave espacial. El dispositivo de control térmico en el que se emplea el calor de arranque 90 de la invención, es, preferiblemente, un bucle de transferencia de calor de dos fases, tal como se muestra en la Figura 3.

Las cargas térmicas de la nave espacial representadas por la fuente de calor 6 provienen de la disipación de lo s equipos internos de la nave espacial y, externamente, del sol y de la tierra o de lo s cuerpos celestes en torno a los cuales órbita la nave espacial.

Un bucle de transferencia de calor de dos fases funciona como un recipiente herméticamente cerrado u obturado que actúa como un dispositivo térmico , controlando las cargas térmicas de una nave espacial, de tal manera que estos dispositivos transfieren calor entre una fuente de calor 6 y un sumidero de calor (típicamente, el espacio) por medio de un ciclo de evaporación-condensación de un fluido de trabaj o que se mantiene dentro del recipiente. En la Figura 3 se muestra un bucle de transferencia de calor de dos fases de acuerdo con la técnica anterior, el cual comprende un calentador de arranque 9, que se coloca por fuera del cuerpo del evaporador 1 1 . A fin de proporcionar una interfaz térmica y mecánica entre la fuente de calor 6 y el evaporador 1 1 , se emplea habitualmente una caperuza metálica 8 de elevada conductividad térmica. Una bomba de capilaridad 5 situada dentro del evaporador 1 1 proporciona la circulación fluida en dos fases (líquido y valor) del fluido de trabajo contenido en el bucle de transferencia de calor de dos fases, el cual, por tanto, comprende una línea o conducción 4 de líquido y una línea o conducción 2 de vapor. El bucle de transferencia de calor de dos fases también comprende un sistema de expulsión de calor, preferiblemente un condensador 3 fij ado a un radiador 7, que cierra el circuito de control térmico del fluido de trabajo . Para adaptarse a los cambio s de vo lumen del fluido de trabajo provocados por las variaciones de la temperatura ambiental y de la potencia de entrada, existe un volumen especial, denominado cámara de compensación, integrado, típicamente, en el bucle de transferencia de calor de dos fases . La cámara de compensación 10 puede ser instalada en diferentes ubicaciones del circuito de fluido . Si la cámara de compensación 10 forma parte del evaporador 1 1 (tal como se muestra en las Figuras 3 y 4), el bucle de transferencia de calor de dos fases se denomina entonces conducto de calor de bucle.

Como se ha explicado anteriormente, pueden darse diferentes situaciones en el arranque de un bucle de transferencia de calor de dos fases de acuerdo con la técnica anterior. Puede resultar fácil e inmediato el comienzo de la circulación de líquido, sin que exista un pico en exceso de temperatura, y, tan pronto como se aplica potencia al evaporador 1 1 , la temperatura se incrementa gradualmente hasta cierta magnitud de estado estacionario; este tipo de arranque se caracteriza por una distribución inicial del fluido de trabajo en el bucle cuando las acanaladuras de extracción de vapor 1 y la conducción de vapor 2 están vacías de líquido, tal como se muestra en la Figura 1 . En la parte superior izquierda de la Figura 1 se muestra la distribución del fluido de trabajo dentro del evaporador 1 1 antes del arranque. También, la puesta en marcha del bucle de transferencia de calor puede ser asociado con un tiempo prolongado y un aumento significativo de la temperatura del evaporador 1 1 , hasta que se inicia la circulación y la temperatura del evaporador 1 1 disminuye hasta un valor de estado estacionario, tal como se muestra en la Figura 2.

De acuerdo con la invención, como se muestra en la Figura 4, se proporciona un bucle de transferencia de calor de dos fases en el que el calentador de arranque 90 está integrado dentro de la estructura interna del evaporador 1 1 . El calentador de arranque 90 de la invención está situado dentro de al menos una de las acanaladuras 1 de extracción de vapor del evaporador 1 1 . En la Figura 5 se muestra una sección transversal A-A del evaporador 1 1 de la Figura 4 para una mejor comprensión de la invención.

El calentador de arranque 90 de la invención comprende al menos un cartucho conductor, preferiblemente hecho de un material metálico, de tal manera que el cartucho comprende, dentro de él, un elemento de calentamiento . Este calentador de arranque 90 está insertado dentro de al menos una de las acanaladuras 1 de extracción de vapor del evaporador 1 1 . El cartucho comprende una envoltura conductora en cuyo interior se mantiene un elemento de calentamiento, de tal manera que la envo ltura conductora se presenta, preferiblemente, con la forma de un cilindro que tiene un diámetro pequeño, el cual se inserta directamente en al menos una de las acanaladuras 1 de extracción de vapor del evaporador 1 1 , y se suelda, directamente o con aporte de material intermedio, en lo s puntos de juntura 12, dentro del cuerpo del evaporador 1 1 , a fin de proporcionar una junta a prueba de fugas . S i bien la forma del cartucho es, preferiblemente, la de un cilindro, es también válida cualquier otra forma, tal como secciones cuadradas, secciones rectangulares, etc. Pueden también utilizarse varios calentadores de arranque 90 para varias acanaladuras 1 de extracción de vapor del evaporador 1 1 , en caso necesario .

De acuerdo con una segunda realización de la invención, el cartucho comprende una envoltura dentro de la cual se alberga el elemento de calentamiento, de tal modo que este cartucho se inserta en otra envoltura conductora, preferiblemente hecha de un material metálico , de manera que esta segunda envoltura se suelda, directamente o con aporte de material intermedio, dentro de al menos una de las acanaladuras 1 de extracción de vapor del evaporador 1 1 , copiando esta segunda envo ltura la forma externa de la primera envoltura del cartucho . Esta segunda realización tiene la ventaja de que el cartucho, conjuntamente con el elemento de calentamiento situado dentro de él, puede ser fácilmente reemplazado cuando sea necesario, sin tener que efectuar ninguna modificación adicional en el evaporador 1 1 .

En ambas realizaciones de la invención se proporciona un contacto térmico directo entre el elemento de calentamiento situado en el calentador de arranque 90 y el fluido de trabajo . Las acanaladuras 1 de extracción de vapor situadas en el evaporador 1 1 tienen, típicamente, una sección transversal rectangular o cuadrada con unas dimensiones de aproximadamente 1 mm x 1 mm (sección cuadrada), o un diámetro exterior de un 1 mm. Esta es la razón por la que ha de usarse un cartucho en miniatura, que comprende el elemento de calentamiento en su interior y que tiene un diámetro de 0 ,8 mm o menos . El calentador de arranque 90 de acuerdo con la invención permite asegurar el arranque del evaporador 1 1 del bucle de transferencia de calor de dos fases, ya que los picos en exceso de temperatura no tienen ninguna influencia en el evaporador 1 1 porque todo el calor se aplica directamente al fluido de trabajo . En el calentador de arranque 90 de la invención, se demostró que era precisa una potencia de menos de 1 vatio para garantizar el suceso de arranque en el evaporador 1 1 en el 100% de los intentos efectuados . Sin embargo, el mismo sistema de bucle de transferencia de dos fases necesitaría 10 vatios de potencia en el calentador de arranque externo 9 con el fin de proporcionar aproximadamente un 90% de sucesos de arranque en el evaporador 1 1 .

Si bien la presente invención se ha descrito completamente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente que pueden introducirse modificaciones en el ámbito de la misma, sin que este se considere limitado por estas realizaciones, sino por el contenido de las siguientes reivindicaciones .