BRPI0315812B1 - sistema termodinâmico e método de utilizar o sistema termodinâmico - Google Patents

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BRPI0315812B1
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A Wolf David
J Kroliczek Edward
Nikitkin Michael
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Swales & Ass Inc
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
    • F28D15/043—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure forming loops, e.g. capillary pumped loops

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Abstract

"sistema de transferência de calor, sistema termodinâmico e método de utilizar os sistemas". um sistema termodinâmico, incluindo um sistema de troca de calor cíclico e um sistema de transferência de calor, acoplado ao sistema de troca de calor cíclico, para esfriar uma parte do sistema de troca de calor cíclico. o sistema de transferência de calor inclui um evaporador, incluindo uma parede configurada para ser acoplada a uma parte do sistema de troca de calor cíclico e uma mecha primária acoplada à parede, e um condensador acoplado ao evaporador, para formar um circuito fechado, que aloja um fluido de trabalho.

Description

SISTEMA TERMODINÂMICO E MÉTODO DE UTILIZAR O SISTEMA TERMODINÂMICO
BIBLIOGRAFIA DE PEDIDOS RELACIONADOS [0001] Este pedido reivindica o beneficio do Pedido Provisório US No. 60/421.737, depositado em 28 de outubro de 2002, que é incorporado aqui por referência.
[0002] O Pedido Provisório US, intitulado HEAT TRANSFER SYSTEM FOR A CYCLICAL HEAT EXCHANGE SYSTEM, depositado em 28 de outubro de 2003, é incorporado aqui por referência.
[0003] Este pedido é uma continuação parcial de um pedido de utilidade, intitulado EVAPORATOR FOR A HEAT
TRANSFER SYSTEM, depositado em 2 de outubro de 2003, que reivindicou prioridade para o Patente U.S. No.
60/415.424, depositado em 2 de outubro de 2003, que são também incorporados aqui por referência.
[0004] Este pedido é uma continuação parcial do Pedido US No. 10/602.022, depositado em 24 de junho de 2003, que reivindica o beneficio do Pedido Provisório US No. 60/391.006, depositado em 24 de junho de 2002 e é uma continuação parcial do pedido US No. 09/896.561, depositado em 29/6/01, que reivindica o beneficio do Pedido Provisório
US No. 60/215.588, depositado em 30/06/2000. Todos estes pedidos são incorporados aqui por referência.
CAMPO TÉCNICO [0005] Esta descrição refere-se a sistemas de transferência de calor, para uso em sistemas de troca de calor cíclicos.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
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2/66 [0006] Os sistemas de transferência de calor são usados para transportar calor de um local (a fonte de calor) para outro local (o dissipador de calor). Os sistemas de transferência de calor podem ser usados em aplicações terrestres ou extraterrestres. Por exemplo, os sistemas de transferência de calor podem ser integrados por equipamento de satélite, que opera dentro de ambientes de gravidade zero ou baixa. Como outro exemplo, os sistemas de transferência de calor podem ser usados em equipamento eletrônico, que com freqüência requer resfriamento durante operação.
[0007] Os Tubos Térmicos em Laço (LHPs) e Laços Capilares Bombeados (CPLs) são sistemas passivos de transferência de calor de duas fases. Cada um inclui um evaporador termicamente acoplado à fonte de calor, um condensador termicamente acoplado ao dissipador de calor, fluido que flui entre o evaporador e o condensador e um reservatório de fluido para expansão do fluido. O fluido dentro do sistema de transferência de calor pode ser referido como fluido de trabalho. O evaporador inclui uma mecha primária e um núcleo que inclui uma passagem de fluxo de fluido. O calor adquirido pelo evaporador é transportado para o e descarregado pelo condensador. Estes sistemas utilizam pressão capilar desenvolvida em uma mecha de poros finos dentro do evaporador, para promover circulação do fluido de trabalho do evaporador para o condensador e de volta para o evaporador. A característica distintiva principal entre um LHP e um CPL é o local do reservatório do laço, que é usado para armazenar fluido em excesso,
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deslocado do laço durante operação. Em geral, o
reservatório de um CPL é localizado remotamente do
evaporador, enquanto o reservatório de um LHP é co-
localizado com o evaporador.
[0008] Em um aspecto geral, um sistema de
transferência de calor para um sistema de troca de calor cíclico inclui um evaporador incluindo uma parede configurada para ser acoplada a uma parte do sistema de troca de calor cíclico e uma mecha primária acoplada à parede e um condensador acoplado ao evaporador, para formar um circuito fechado, que aloja um fluido de trabalho.
[0009] Implementações podem incluir um ou mais dos seguintes aspectos. Por exemplo, o condensador inclui uma entrada de vapor e uma saída de liquido e o sistema de transferência de calor inclui uma linha de vapor provendo comunicação de fluido entre a saída de vapor e a entrada de vapor e uma linha de retorno de liquido, provendo comunicação de fluido entre a saída de liquido e a entrada de liquido.
[00010] O evaporador inclui uma parede barreira de liquido, contendo o fluido de trabalho em um lado interno da parede barreira de liquido, fluido de trabalho este escoando somente ao longo do lado interno da parede barreira de liquido, em que a mecha primária é posicionada entre a parede aquecida e o lado interno da parede barreira de liquido; um canal de remoção de vapor, que é localizado em uma interface entre a mecha primária e a parede aquecida, o canal de remoção de vapor estendendo-se para uma saída de vapor; e um canal de fluxo de liquido,
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4/66 localizado entre a parede barreira de liquido e a mecha
primária, o canal de fluxo de liquido recebendo liquido de
uma entrada de liquido.
[00011] 0 fluido de trabalho é movido através do
sistema de transferência de calor passivamente.
[00012] 0 fluido de trabalho é movido através do
sistema de transferência de calor sem o uso de bombeamento
externo.
[00013] 0 fluido de trabalho i dentro do sistema de
transferência de calor muda entre um liquido e um vapor, quando o fluido de trabalho passa através ou dentro de um ou mais de evaporador, condensador, linha de vapor e linha de retorno de liquido.
[00014] O fluido de trabalho é movido através do sistema de transferência de calor passivamente.
[00015] O fluido de trabalho é movido através do sistema de transferência de calor com o uso da mecha.
[00016] O sistema de transferência de calor inclui ainda aletas termicamente acopladas ao condensador, para rejeitar calor para o meio ambiente.
[00017] Em outro aspecto geral, um sistema termodinâmico inclui um sistema de troca de calor cíclico e um sistema de transferência de calor acoplado ao sistema de troca de calor cíclico, para resfriar uma parte do sistema de troca de calor cíclico. O sistema de transferência de calor inclui um evaporador incluindo uma parede configurada para ser acoplada a uma parte do sistema de troca de calor cíclico e uma mecha primária, acoplada à parede e um
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5/66 condensador acoplado ao evaporador, para formar um circuito fechado que aloja um fluido de trabalho.
[00018] Implementações podem incluir um ou mais dos seguintes aspectos. 0 evaporador é inteiriço com o sistema de troca de calor cíclico. O evaporador é termicamente acoplado a uma parte do sistema de troca de calor cíclico. O sistema de troca de calor cíclico inclui um sistema de troca de calor Stirling. O sistema de troca de calor cíclico inclui um sistema de refrigeração. O sistema de transferência de calor é acoplado ao lado quente do sistema de troca de calor cíclico. O sistema de transferência de calor do sistema termodinâmico é acoplado a um lado frio do sistema de troca de calor cíclico.
[00019] Em outro aspecto geral, um método utiliza os sistemas citados acima.
[00020] O evaporador pode ser usado em qualquer sistema de transferência de calor de duas fases, para uso em aplicações terrestres ou extraterrestres. Por exemplo, os sistemas de transferência de calor podem ser usados em equipamento eletrônico, que com freqüência requer resfriamento durante operação ou em aplicações de diodo de leiser.
[00021] O evaporador plano pode ser usado em qualquer sistema de transferência de calor em que a fonte de calor seja formada como uma superfície plana. O evaporador anular pode ser usado em qualquer sistema de transferência de calor em que a fonte de calor seja formada como uma superfície cilíndrica.
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6/66 [00022] O sistema de transferência de calor que utiliza o evaporador anular pode aproveitar a gravidade quando usado em aplicações terrestres, assim tornando um LHP adequado para produção em massa. As aplicações terrestres com freqüência ditam a orientação das superfícies de aquisição de calor e do dissipador de calor; O evaporador anular utiliza as vantagens da operação em gravidade.
[00023] O sistema de transferência de calor provê um sistema termicamente eficiente e eficiente em espaço, para resfriar um sistema de troca de calor cíclico, porque o evaporador do sistema de transferência de calor é térmica e espacialmente acoplado a uma parte do sistema de troca de calor cíclico que está sendo resfriado pelo sistema de transferência de calor. Por exemplo, se a parte a ser resfriada (também conhecida como fonte de calor) tiver uma geometria cilíndrica, o sistema de transferência de calor pode incluir um evaporador anular. O uso do sistema de transferência de calor possibilita a exploração de sistemas cilíndricos de troca cíclica de calor, que são capazes de ser usados em uma aplicação comercialmente prática para resfriamento de gabinete.
[00024] Incorporação integral do evaporador ou condensador com a fonte de calor do sistema de troca de calor cíclico pode minimizar o tamanho do enfardamento. Por outro lado, se o evaporador ou condensador for preso na fonte de calor, a disposição e substituição das partes são facilitadas.
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7/66 [00025] O sistema de transferência de calor pode ser usado para resfriar um sistema de troca de calor cíclico tendo uma geometria cilíndrica, tal como, por exemplo, um ciclo Stirling de pistão livre. Um sistema de transferência de calor fornece eficiente conexão de linha de fluido (uma fase vapor e conector de linha de retorno de líquido subresfriado) para e de um conjunto de condensador anular igual e eficientemente adensado.
[00026] O sistema de transferência de calor incorpora um condensador que é eficientemente adensado como um condensador de placa plana, que é formado em seções anulares a que são ligados estendidos elementos de superfície de troca de calor, tais como material de aletas corrugado.
[00027] O sistema de transferência de calor combina eficientes mecanismos de transferência de calor (evaporação e condensação) para acoplar o fluido do ciclo Stirling (hélio) ao dissipador de calor final (ar ambiente). Consequentemente, uma melhoria significativa na eficiência do Ciclo Stirling (por exemplo, até 50%) é provida.
[00028] O evaporador e o condensador do sistema de transferência de calor podem ser independentemente projetados e otimizados. Isto permite qualquer número de opções de ligação ao sistema de troca de calor cíclico. Além disso, o sistema de transferência de calor é insensível a orientação de gravidade, porque uma mecha é incorporada dentro do evaporador.
[00029] O sistema de transferência de calor provê eficiente resfriamento a um gabinete, tal como uma máquina
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8/66 refrigeradora ou de vender, em um pequeno pacote em um custo comercialmente aceitável.
[00030] De acordo com uma implementação, um evaporador anular é fixado em um sistema de troca de calor cíclico e termicamente acoplado com composto graxo térmico, para prover fácil montagem e manutenção. De acordo com outra implementação, um evaporador anular é ajustado por interferência em um sistema de troca de calor cíclico, para prover fácil montagem com melhorada eficiência térmica. De acordo com mais uma implementação, um evaporador anular é integralmente formado com um sistema de troca de calor cíclico, para prover eficiência térmica mais aperfeiçoada.
[00031] O sistema de transferência de calor inclui um condensador tendo partes anulares internas e externas aletadas, para prover eficiente transferência de calor para o ar, em um reduzido espaço de enfardamento. O condensador pode ser ligado por rolo ou formado por extrusão.
[00032] Um tubo térmico em laço da presente invenção fornece eficiente enfardamento com um refrigerador cilíndrico, adaptando-se a tradicional geometria cilíndrica de um evaporador LHP a uma geometria de placa plana plana, que pode ser enrolada em um formato anular.
[00033] O enfardamento do sistema de transferência de calor é descrito com respeito a algumas implementações exemplificativas, porém não se pretende que seja limitado àquelas implementações exemplificativas. Embora descrita com respeito ao uso para resfriar um gabinete, tal como um refrigerador doméstico, máquina de vender ou unidade de refrigeração de ponto de venda, uma pessoa hábil na arte
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reconhecerá as numerosas outras aplicações úteis de uma
refrigeração compacta, de eficiência de energia e
ambientalmente conveniente, utilizando o sistema de
transferência de calor como descrito aqui.
[00034] Outros aspectos e vantagens serão evidentes pela descrição, os desenhos e as reivindicações.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [00035] A Fig. 1 é um diagrama esquemático de um sistema de transporte de calor.
[00036] A Fig. 2 é um diagrama de uma implementação do sistema de transporte de calor esquematicamente mostrado pela Fig. 1.
[00037] A Fig. 3 é um fluxograma de um procedimento para transportar calor, utilizando um sistema de transporte de calor.
[00038] A Fig. 4 é um gráfico mostrando os perfis de temperatura de vários componentes do sistema de transporte de calor, durante o fluxo do processo da Fig. 3.
[00039] A Fig. 5A é um diagrama de um evaporador principal de três orifícios, mostrado dentro do sistema de transporte de calor da Fig. 1.
[00040] A Fig. 5B é uma vista do evaporador principal, tomada ao longo de 5B-5B da Fig. 5A.
[00041] A Fig. 6 é um diagrama de um evaporador principal de quatro orifícios, que pode ser integrado dentro de um sistema de transporte de calor ilustrado pela Fig. 1.
[00042] A Fig. 7 é um diagrama esquemático de uma implementação de um sistema de transporte de calor.
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[00043] As Figs. 8A, 8B, 9A e 9B são vistas em
perspectiva de aplicações utilizando um sistema de
transferência de calor.
[00044] A Fig. 8C é uma vista em seção transversal
de uma linha de fluido tomada ao longo de 8C-8C da Fig. 8A.
[00045] As Figs. 8D e 9C são diagramas esquemáticos
das implementações dos sistemas de transporte de calor das
Figs. 8A e 9A, respectivamente.
[00046] A Fig. 10 é uma vista em seção transversal
de um evaporador plano.
[00047] A Fig. 11 é uma vista em seção transversal
axial de um evaporador anular.
[00048] A Fig. 12 é uma vista em seção transversal
radial do evaporador anular da Fig. 11.
[00049] A Fig. 13 é uma vista ampliada i de uma parte
da vista em seção transversal radial do evaporador anular da Fig. 12.
[00050] A Fig. 14A é uma vista em perspectiva do
evaporador anular da Fig. 11.
[00051] A Fig. 14B é uma vista recortada parcial do
evaporador anular da Fig. 14A.
[00052] A Fig. 14C é uma vista em seção transversal
ampliada de uma parte do evaporador anular • da Fig. 14B.
[00053] A Fig. 14D é uma vista em seção transversal
do evaporador anular da Fig. 14B, tomada ao longo da linha 14D-14D.
[00054] As Figs. 14E e 14F são vistas ampliadas de partes do evaporador anular da Fig. 14D.
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[00055] A Fig. 14G é uma vista recortada em
perspectiva do evaporador anular da Fig. 14a.
[00056] A Fig. 14H é uma vista recortada em
perspectiva detalhada do evaporador anular da Fig. 14G.
[00057] A Fig. 15 A é uma vista detalhada plana da
parede barreira de liquido formada em um componente de anel invólucro do evaporador anular da Fig. 14A.
[00058] A Fig. 15B é uma vista em seção transversal da parede barreira de liquido da Fig. 15A, tomada ao longo da linha 15B-15B.
[00059] A Fig. 16A é uma vista em perspectiva de uma mecha primária do evaporador anular da Fig. 14A.
[00060] A Fig. 16B é uma vista de topo da mecha primária da Fig. 16A.
[00061] A Fig. 16C é uma vista em seção transversal da mecha primária da Fig. 16B, tomada ao longo da linha 16C-16C.
[00062] A Fig. 16D é uma vista ampliada de uma parte da mecha primária da Fig. 16C.
[00063] A Fig. 17A. é uma vista em perspectiva de uma parede aquecida, formada em um anel anular, do evaporador anular da Fig. 14A.
[00064] A Fig. 17B é uma vista de topo da parede aquecida da Fig. 17a.
[00065] A Fig. 17C é uma vista em seção transversal da parede aquecida da Fig. 17B, tomada ao longo da linha 17C-17C.
[00066] A Fig. 17D é uma vista ampliada de uma parte da parede aquecida da Fig. 17C.
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12/66 [00067] A Fig. 18Α é uma vista em perspectiva de um anel separando a parede aquecida da Fig. 17A da parede
barreira de liquido da Fig. 15A.
[00068] A Fig. 18B é uma vista de topo do anel da
Fig. 18A.
[00069] A Fig. 18C é uma vista em seção transversal
do anel da Fig . 18B, tomada ao longo da linha 18C-18C.
[00070] A Fig. 18D é uma vista ampliada de uma parte
do anel da Fig. 18C.
[00071] A Fig. 19A é uma vista em perspectiva de um
anel do evaporador anular da Fig . 14A.
[00072] A Fig. 19B é uma vista de topo do anel da
Fig. 19A.
[00073] A Fig. 19C é uma vista em seção transversal
do anel da Fig. 19B, tomada ao longo de 19C-19C.
[00074] A Fig. 19D é uma vista ampliada de uma parte do anel da Fig. 19C.
[00075] A Fig. 20 é uma vista em perspectiva de um sistema de troca de calor cíclico, que pode ser resfriado utilizando-se um sistema de transferência de calor.
[00076] A Fig. 21 é uma vista em seção transversal de um sistema de troca de calor cíclico, tal como o sistema de troca de calor cíclico da Fig. 20.
[00077] A Fig. 22 é uma vista lateral de um sistema de troca de calor cíclico, tal como o sistema de troca de calor cíclico da Fig. 20.
[0007 8] A Fig. 23 é um diagrama esquemático de uma primeira implementação de um sistema de troca de calor
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13/66 cíclico incluindo um sistema de troca de calor cíclico e um sistema de transferência de calor.
[0007 9] A Fig. 2 4 é um diagrama esquemático de uma segunda implementação de um sistema de troca de calor cíclico, incluindo um sistema de troca de calor cíclico e um sistema de transferência de calor.
[00080] A Fig. 25 é um diagrama esquemático de um sistema de transferência de calor utilizando um evaporador projetado de acordo com os princípios das Figs. 10 - 13.
[00081] A Fig. 26 é uma vista explodida funcional do sistema de transferência de calor da Fig. 25.
[00082] A Fig. 27 é uma vista detalhada de seção transversal parcial de um evaporador usado no sistema de transferência de calor da Fig. 25.
[00083] A Fig. 28 é uma vista em perspectiva de um trocador de calor usado no sistema de transferência de calor da Fig. 25.
[00084] A Fig. 29 é um gráfico de temperatura de uma
fonte de c :alor de um sistema de troca de calor cíclico
versus uma área de superfície de uma interface entre o
sistema de transferência de calor e a fonte de calor do
sistema de troca de calor cíclico.
[00085] A Fig. 30 é uma vista em planta de topo de
um sistema de transferência de calor enfardado em torno de
uma parte de um sistema de troca de calor cíclico.
[00086] A Fig. 31 é uma vista em elevação de seção transversal parcial (tomada ao longo da linha 31-31) do sistema de transferência de calor enfardado em torno da parte do sistema de troca de calor cíclico da Fig. 30.
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14/66 [00087] A Fig. 32 é uma vista em elevação de seção transversal parcial (tomada no detalhe 3200) da interface entre o sistema de transferência de calor e o sistema de troca de calor cíclico da Fig. 30.
[00088] A Fig. 33 é uma vista em perspectiva superior de um sistema de transferência de calor montado em um sistema de troca de calor cíclico.
[00089] A Fig. 34 é uma vista em perspectiva inferior do sistema de transferência de calor montado no sistema de troca de calor cíclico da Fig. 33.
[00090] A Fig. 35 é uma vista em seção transversal parcial de uma interface entre um evaporador de um sistema de transferência de calor e um sistema de troca de calor cíclico, em que o evaporador é preso no sistema de troca de calor cíclico.
[00091] A Fig. 36 é uma vista lateral de um grampo usado para prender o evaporador no sistema de troca de calor cíclico da Fig. 35.
[00092] A Fig. 37 é uma vista em seção transversal parcial de uma interface entre um evaporador de um sistema de transferência de calor e um sistema de troca de calor cíclico, em [00093] que a interface é formada por um encaixe de interferência entre o evaporador e o sistema de troca de calor cíclico.
[00094] A Fig. 38 é uma vista em seção transversal parcial de uma interface entre um evaporador de um sistema de transferência de calor e um sistema de troca de calor cíclico, em que a interface é formada moldando-se o
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15/66 evaporador integralmente com o sistema de troca de calor cíclico.
[00095] A Fig. 39 é uma vista em planta de topo de um condensador de um sistema de transferência de calor.
[00096] A Fig. 40 é uma vista em seção transversal parcial, tomada ao longo da linha 40-40 do condensador da Fig. 39.
[00097] As Figs. 41-43 são vistas em seção transversal detalhadas de um condensador tendo uma construção laminada.
[00098] A Fig. 44 é uma vista em seção transversal detalhada de um condensador tendo uma construção extrudada.
[00099] A Fig. 45 é uma vista detalhada em perspectiva e em seção transversal de um condensador tendo uma construção extrudada.
[000100] A Fig. 46 é uma vista em seção transversal de um lado de um sistema de transferência de calor enfardado em torno de um sistema de troca de calor cíclico.
[000101] Símbolos de referência iguais nos vários desenhos indicam elementos iguais.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [000102] Como discutido acima, em um tubo térmico em laço, o reservatório é co-localizado com o evaporador, o reservatório, assim, sendo térmica e hidraulicamente conectado com o reservatório através de um conduto semelhante a tubo térmico. Desta maneira, liquido do reservatório pode ser bombeado para o evaporador, assim assegurando que a mecha primária do evaporador seja suficientemente umedecida ou iniciada durante a partida.
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16/66
Adicionalmente, o projeto do LHP também reduz a depleção do líquido da mecha primária do evaporador, durante operação de estado constante ou passageira do evaporador dentro de um sistema de transporte de calor. Além disso, o vapor e/ou bolhas de gás não-condensável (bolhas NCG) ventilam de um núcleo do evaporador, através do conduto semelhante a tubo térmico, para dentro do reservatório.
[000103] LHPs convencionais requerem que líquido esteja presente no reservatório antes da partida, isto é, da aplicação de energia ao evaporador do LHP. Entretanto, se o fluido de trabalho dentro do LHP estiver em um estado supercrítico antes da partida do LHP, líquido não estará presente no reservatório antes da partida. Um estado supercrítico é um estado em que uma temperatura do LHP está acima da temperatura crítica do fluido de trabalho. A temperatura crítica de um fluido é a mais elevada temperatura em que o fluido pode exibir um equilíbrio de líquido-vapor. Por exemplo, o LHP pode estar em um estado supercrítico se o fluido de trabalho for um fluido criogênico, isto é, um fluido tendo um ponto de ebulição abaixo da temperatura do ambiente em que o LHP está operando.
[000104] LHPs convencionais também requerem que o líquido retornando para o evaporador seja sub-resfriado, isto é, resfriado uma temperatura que seja mais baixa do que o ponto de ebulição do fluido de trabalho.
Tal restrição torna não prático operar os
LHPs em uma temperatura sub-ambiente. Por exemplo, se o fluido de trabalho for um fluido criogênico, o
LHP provavelmente
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17/66 estará operando em um ambiente tendo uma temperatura maior do que o ponto de ebulição do fluido.
[000105] Com referência à Fig. 1, um sistema de transporte de calor 100 é projetado para superar limitações de LHPs convencionais. O sistema de transporte de calor 100 inclui um sistema de transferência de calor 105 e um sistema de imprimação 110. O sistema de imprimação 110 é configurado para converter o fluido dentro do sistema de transferência de calor 105 em um líquido, assim iniciando o sistema de transferência de calor 105. Como usado nesta descrição, o termo fluido é um termo genérico que se refere a uma substância que é tanto um líquido como um vapor em equilíbrio saturado.
[000106] O sistema de transferência de calor 105 inclui um evaporador principal 115 e um condensador 120 acoplado ao evaporador principal 115 por uma linha de líquido 125 e uma linha de vapor 130. O condensador 120 é fica em comunicação térmica com um dissipador de calor 165 e o evaporador principal 115 fica em comunicação térmica com uma fonte de calor Qin 116. O sistema 105 pode também incluir um reservatório de calor 147 acoplado à linha de vapor 130, para contenção adicional de pressão, quando necessário. Em particular, o reservatório de calor 147 aumenta o volume do sistema 100. Se o fluido de trabalho estiver em uma temperatura acima de sua temperatura crítica, isto é, a mais alta temperatura em que o fluido de trabalho pode exibir equilíbrio de líquido-vapor, sua pressão é proporcional à massa do sistema 100 (a carga) e inversamente proporcional ao volume do sistema. AumentandoPetição 870180135274, de 27/09/2018, pág. 26/80
18/66 se o volume com o reservatório de calor 147 diminui-se a pressão de carga.
[000107] O evaporador principal 115 inclui um recipiente 117, que aloja uma mecha primária 140, dentro da qual um núcleo 135 é definido. O evaporador principal 115 inclui um tubo baioneta 142, a mecha primária 140, e a mecha secundária 145 define uma passagem de liquido 143, uma primeira passagem de vapor 144 e uma segunda passagem de vapor 146. A mecha secundária 145 fornece controle de fase, isto é, separação de liquido/vapor dentro do núcleo 135, como discutido no Pedido U.S. No. 09/896.561, depositado em 29/6/01, que é incorporado aqui por referência em sua totalidade. Como mostrado, o evaporador principal 115 tem três orifícios, uma entrada de liquido 137 dentro da passagem de liquido 143, uma saída de vapor 132 dentro da linha de vapor 130 da segunda passagem de vapor 146 e uma saída de fluido 139 da passagem de liquido 143 (e, possivelmente, a primeira passagem de vapor 144, como discutido abaixo). Mais detalhes sobre a estrutura de um evaporador de três orifícios são discutidos abaixo com respeito às Figs. 5A e 5B.
[000108] O sistema de imprimação 110 inclui um evaporador secundário ou iniciador 150, acoplado à linha de vapor 130, e um reservatório 155 co-locado com o evaporador secundário 150. O reservatório 155 é acoplado ao núcleo 135 do evaporador principal 115 por uma linha de fluido secundária 160 e um condensador secundário 122. A linha de fluido secundária 160 acopla com a saída de fluido 139 do evaporador principal 115. O sistema de imprimação 110
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19/66 também inclui uma fonte de calor controlada Qsp 151, em comunicação térmica com o evaporador secundário 150.
[000109] O evaporador secundário 150 inclui um recipiente 152, que aloja uma mecha primária 190, dentro da qual um núcleo 185 é definido. O evaporador secundário 150 inclui um tubo baioneta 153 e uma mecha secundária 180, que se estende do núcleo 185, através de um conduto 175, e para dentro do reservatório 155. A mecha secundária 180 provê uma ligação capilar entre o reservatório 155 e o evaporador secundário 150. O tubo baioneta 153, a mecha primária 190 e a mecha secundária 180 definem uma passagem de liquido 182, acoplada com a linha de fluido 160, uma primeira passagem de vapor 181, acoplada ao reservatório 155 e uma segunda passagem de vapor 183, acoplada à linha de vapor 130. O reservatório 155 é térmica e hidraulicamente acoplado com o núcleo 185 do evaporador secundário 150, através da passagem de liquido 182, da mecha secundária 180 e da primeira passagem de vapor 181. O vapor e/ou as bolhas NCG do núcleo 185 do evaporador secundário 150 são varridos através da primeira passagem de vapor 181 para o reservatório 155 e liquido condensável é retornado para o evaporador secundário 150, através da mecha secundária 180, do reservatório 155. A mecha primária 190 liga hidraulicamente o liquido dentro do núcleo 185 à fonte de calor Qsp 151, permitindo que liquido de uma superfície externa da mecha primária 190 evapore e forme vapor dentro da passagem de vapor secundária 183, quando calor é aplicado ao evaporador secundário 150.
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20/66 [000110] O reservatório 155 é propendido por frio e, assim, é resfriado por uma fonte de resfriamento, que permite que opere, se desaquecido, em uma temperatura mais baixa do que a temperatura em que o sistema de transferência de calor 105 opera. Em uma implementação, o reservatório 155 e o condensador secundário 122 ficam em comunicação térmica com o dissipador térmico 165, que é termicamente acoplado com o condensador 120. Por exemplo, o reservatório 155 pode ser engastado no dissipador de calor 165, utilizando-se uma derivação 170, que pode ser feita de alumínio ou qualquer material condutivo de calor. Desta
maneira, a temperatura do reservatório 155 segue a
temperatura do condensador 120 •
[000111] A fig. 2 mostra um exemplo de uma
implementação do sistema de transferência de calor 100.
Nesta implementação, os condensadores 120 e 122 são fixados em um crio-resfriador 200, que atua como um refrigerador, transferindo calor dos condensadores 120, 122 para o dissipador de calor 165. Adicionalmente, na implementação da Fig. 2, as linhas 125, 130, 160 são enroladas para reduzir as exigências de espaço para o sistema de transferência de calor 100.
[000112] Embora não mostrado nas Figs. 1 e 2, elementos tais como, por exemplo, o reservatório 155 e o evaporador principal 115 podem ser equipados com sensores de temperatura, que podem ser usados para fins diagnósticos ou de teste.
[000113] Com referência também à Fig. 3, o sistema 100 realiza um procedimento 300 para transportar calor da
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21/66 fonte de calor Qin 116 e para assegurar que o evaporador principal 115 seja umedecido com líquido antes da partida. 0 procedimento 300 é particularmente útil quando o sistema de transferência de calor 105 está em um estado supercrítico. Antes do início do procedimento 300, o sistema 100 é carregado com um fluido de trabalho em uma pressão particular, referida como uma pressão de carga.
[000114] Inicialmente, o reservatório 155 é propendido por frio, por exemplo, fixando-se o reservatório 155 no dissipador de calor 165 (etapa 305). O reservatório 155 pode ser propendido por frio a uma temperatura abaixo da temperatura crítica do fluido de trabalho, que, como discutido, é a mais elevada temperatura em que o fluido de trabalho pode exibir equilíbrio de líquido-vapor. Por exemplo, se o fluido for etano, que tem uma temperatura crítica de 33°C, o reservatório 155 é resfriado a abaixo de 33°C. Quando a temperatura do reservatório 155 cai abaixo da temperatura crítica do fluido de trabalho, o reservatório 155 enche parcialmente com um condensado líquido formado pelo fluido de trabalho. A formação de líquido dentro do reservatório 155 umedece a mecha secundária 180 e a mecha primária 190 do evaporador secundário 150 (etapa 310).
[000115] No ínterim, potência é aplicada ao sistema de imprimação 110 pela aplicação de calor da fonte de calor
Qsp 151 ao evaporador secundário 150 (etapa 315) para aumentar ou iniciar a circulação de fluido dentro do sistema de transferência de calor 105. Saída de vapor pelo evaporador secundário 150 é bombeada através da linha de
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22/66 vapor 130 e através do condensador 120 (etapa 320) devido à pressão capilar na interface entre a mecha primária 190 e a segunda passagem de vapor 183. Quando vapor alcança o condensador 120, ele é convertido em liquido (etapa 325). O liquido formado no condensador 120 é bombeado para o evaporador principal 115 do sistema de transferência de calor 105 (etapa 330) . Quando o evaporador principal 115 está em uma temperatura mais elevada do que a temperatura crítica do fluido, o líquido penetrando no evaporador principal 115 evapora e resfria o evaporador principal 115. Este processo (etapas 315-330) continua fazendo com que o evaporador principal 115 alcance a temperatura de ponto de ajuste (etapa 335), em cujo ponto o evaporador principal é capaz de reter líquido e ser umedecido e operar como uma bomba capilar. Em uma implementação, a temperatura do ponto de ajuste é a temperatura em que o reservatório 155 foi resfriada. Em outra implementação, a temperatura do ponto de ajuste é uma temperatura abaixo da temperatura crítica do fluido de trabalho. Em uma outra implementação, a temperatura do ponto de ajuste é uma temperatura acima da temperatura em que o reservatório 155 foi resfriado.
[000116] Se a temperatura de ponto de ajuste tiver sido alcançada (etapa 335), o sistema 100 opera em um modo principal (etapa 340), em que calor da fonte de calor Qin 116, que é aplicado ao evaporador principal 115, é transferido pelo sistema de transferência de calor 105. Especificamente, no modo principal, o evaporador principal 115 realiza bombeamento capilar, para promover circulação do fluido de trabalho através do sistema de transferência
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23/66 de calor 105. No modo principal, também a temperatura do ponto de ajuste do reservatório 155 é reduzida. A taxa em que o sistema de transferência de calor 105 resfria durante o modo principal depende da propensão de frio do reservatório 155, porque a temperatura do evaporador principal 115 segue rigorosamente a temperatura do reservatório 155. Adicionalmente, embora não necessário, um aquecedor pode ser usado para controlar ou regular mais a temperatura do reservatório 155, durante o modo principal. Além disso, no modo principal, a potência aplicada ao evaporador secundário 150 pela fonte de calor Qsp 151 é reduzida, assim trazendo o sistema de transferência de calor 105 até uma temperatura operacional normal para o fluido. Por exemplo, no modo principal, a carga de calor da fonte de calor Qsp 151 para o evaporador secundário 150 é mentida em um valor igual ou excedente às condições de calor, como definidas abaixo. Em uma implementação, a carga de calor da fonte de calor Qsp é mantida a cerca de 5 a 10% da carga de calor aplicada ao evaporador principal 115 pela fonte de calor Qin 116.
[000117] Nesta implementação particular, o modo principal é disparado pela determinação de que a temperatura do ponto de ajuste foi alcançada (etapa 335) . Em outras implementações, o modo principal pode começar em outras ocasiões ou devido a outros disparos. Por exemplo, o modo principal pode começar após o sistema de imprimação ser umedecido (etapa 310) ou após o reservatório ter sido propendido por frio (etapa 305).
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24/66 [000118] Em qualquer ocasião durante a operação, o sistema de transferência de calor 105 pode experimentar condições de calor tais como aquelas resultando da condução de calor através da mecha primária 140 e calor parasítico aplicado à linha de liquido 125. Ambas as condições causam formação de vapor no lado de liquido do evaporador. Especificamente, condução térmica através da mecha primária 140 pode fazer com que o liquido do núcleo 35 forme bolhas de vapor QUE, se deixadas dentro do núcleo 135, crescem e bloqueiam completamente o suprimento de liquido para a mecha primária 140, assim fazendo com que o evaporador principal 115 falhe. Entrada de calor parasitico para dentro da linha de liquido 125 (referida como ganhos de calor parasítico) pode fazer com que o líquido dentro da linha de líquido 125 forme vapor.
[000119] Para reduzir o impacto adverso das condições de calor discutidas acima, o sistema de imprimação 110 opera em um nível de potência Qsp 151 maior do que ou igual à soma da condução da cabeça e dos ganhos de calor parasítico. Como mencionado acima, por exemplo, o sistema de imprimação pode operar a 5 - 10% da potência do sistema de transferência de calor 105. Em particular, fluido que inclui uma combinação de bolhas de vapor e líquido é varrido para fora do núcleo 135 para descarga dentro da linha de fluido secundária 160, conduzindo ao condensador secundário 122. Em particular, o vapor que se forma dentro do núcleo 135 desloca-se em torno do tubo baioneta 143 diretamente para dentro do orifício de saída de fluido 139. O vapor que se forma dentro da primeira passagem de vapor
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144 faz seu caminho para dentro do orifício de saída de fluido 139 deslocando-se através da mecha secundária 145 (se o tamanho de poro da mecha secundária 145 for bastante grande para acomodar as bolhas de vapor) ou através de uma abertura em uma extremidade da mecha secundária 145, próximo do orifício de saída 139, que fornece uma passagem livre das primeiras passagens de vapor 144 par a o orifício de saída 139. 0 condensador secundário 122 condensa as bolhas no fluido e empurra o fluido para o reservatório 155, para reintrodução dentro do sistema de transferência de calor 105.
[000120] Similarmente, para reduzir a entrada de calor parasitico para a linha de liquido 125, a linha de fluido secundária 160 e a linha de liquido 125 podem formar uma configuração coaxial e a linha de fluido secundária 160 circunda e isola a linha de liquido 125 do calor circundante. Esta implementação é discutida mais abaixo com referência às Figs. 8a e 8B. Como conseqüência desta configuração, é possível para o calor circundante fazer com que bolhas de vapor se formem na linha de fluido secundária 160, em vez de na linha de liquido 125. Como discutido, em virtude da ação capilar realizada na mecha secundária 145, o fluido escoa do evaporador principal 115 para o condensador secundário 122. Este fluxo de fluido e a temperatura relativamente baixa do condensador secundário 122 fazem uma varredura das bolhas de vapor dentro da linha de fluido secundária 160, através do condensador 122, onde elas são condensadas em liquido e bombeadas para dentro do reservatório 155.
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26/66 [000121] Como mostrado na Fig. 4, dados de um teste realizado são mostrados. Nesta implementação, antes da partida do evaporador principal 115 na temperatura 410, uma temperatura 400 do evaporador principal 115 é significativamente mais elevada do que uma temperatura 405 do reservatório 155, que tem sido propendido pelo frio para a temperatura de ponto de ajuste (etapa 305) . Quando o sistema de imprimação 110 é umedecido (etapa 310), a potência Qsp 450 é aplicada ao evaporador secundário 150 (etapa 315) em um tempo 452, fazendo com que o liquido seja bombeado para o evaporador secundário 150 (etapa 315) em um tempo 452, fazendo com que o liquido seja bombeado para o evaporador principal 115 (etapa 330), a temperatura 400 do evaporador principal 115 cai até alcançar a temperatura 405 do reservatório 155 no tempo 410. A potência Qin 460 é aplicada ao evaporador principal 115 em um tempo 462, quando o sistema 100 está operando em modo LHP (etapa 340). Como mostrado, a entrada de potência Qin 460 para o evaporador principal 115 é mantida relativamente baixa, enquanto o evaporador principal 115 está resfriando. Também mostradas são as temperaturas 470 e 475, respectivamente, da linha de fluido secundária 160 e da linha de liquido 125. Após o tempo 410, as temperaturas 470 e 475 seguem a temperatura 400 do evaporador principal 115. Além disso, uma temperatura 415 do evaporador secundário 150 segue rigorosamente a temperatura 405 do reservatório 155, por causa da comunicação térmica entre o evaporador secundário 150 e o reservatório 155.
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27/66 [000122] Como mencionado, em uma implementação, etano pode ser usado como o fluido do sistema de transferência de calor 105. Embora a temperatura critica do etano seja de 33°C, pelas razões genericamente descritas acima, o sistema 100 pode partir de um estado supercrítico, em que o sistema 100 está em uma temperatura de 70°C. Quando a potência Qsp é aplicada ao evaporador secundário 150, as temperaturas do condensador 120 e do reservatório 155 caem rapidamente (entre os tempos 452 e 410). Um aquecedor compensador pode ser usado para controlar a temperatura do reservatório 155 e, assim, do condensador 120 a -10°C. Para dar partida no evaporador principal 115 da temperatura supercritica de 70°C, uma carga de calor ou entrada de potência QSp de 10W é aplicada no evaporador secundário 150. Uma vez o evaporador principal 115 seja iniciado, a entrada de potência da fonte de calor Qsp 151 para o evaporador secundário 150 e a potência aplicada no e através do aquecedor compensador podem ambas ser reduzidas para trazer a temperatura do sistema 100 até uma temperatura operacional nominal de cerca de -50°C. Por exemplo, durante o modo principal, se um evaporador principal Qin de 40W for aplicada ao evaporador principal 115, a evaporador principal Qsp para o evaporador secundário 150 pode ser reduzida a aproximadamente 3W, enquanto operando em -45°C para mitigar os 3W perdidos através de condições de calor (como discutido acima). Como outro exemplo, o evaporador principal 115 pode operar com a entrada de potência Qin de cerca de 10W a cerca de 40W, com 5W aplicados no evaporador
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28/66 secundário 150 e com a temperatura 405 do reservatório 155 a aproximadamente -45°C.
[000123] Com referência às Figs. 5A e 5B, em uma implementação, o evaporador principal 115 é projetado como um evaporador de três orifícios 500 (que é o projeto mostrado na Fig. 1) . Genericamente, no evaporador de três orifícios 500, liquido flui para dentro de uma entrada de liquido 505 para dentro de um núcleo 510, definido por uma mecha primária 540, e fluido do núcleo 510 flui por uma saída de fluido 512 para um reservatório propendido por frio (tal como reservatório 155) . O fluido e o núcleo 510 são alojados dentro de um recipiente 515, feito de, por exemplo, alumínio. Em particular, fluido escoando da entrada de líquido 505 para dentro do núcleo 510 flui através de um tubo baioneta 520 para dentro de uma passagem de líquido 521, fluindo através e em torno do tubo baioneta 520. O fluido pode escoar através de uma mecha secundária 525 (tal como uma mecha secundária 145 do evaporador 115) feita de um material de mecha 530 e uma artéria anular 535. O material de mecha 530 separa a artéria anular 535 de uma primeira passagem de vapor 560. Quando a potência da fonte de calor Qin 116 é aplicada ao evaporador 500, líquido do núcleo 510 penetra em uma mecha primária 540 e evapora, formando vapor que está livre para fluir ao longo de uma segunda passagem de vapor 565, que inclui um ou mais sulcos de vapor 545, e para fora de uma saída de vapor 550, para dentro da linha de vapor 130. Bolhas de vapor que se formam dentro da primeira passagem de vapor 560 do núcleo 510 são varridas para fora do núcleo 510, através da primeira
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29/66 passagem de vapor 560 e para dentro da saída de fluido 512. Como discutido acima, as bolhas de vapor dentro da primeira passagem de vapor 560 pode passar através da mecha secundária 525, se o tamanho de poro da mecha secundária 525 for bastante grande para acomodar as bolhas de vapor. Alternativa ou adicionalmente, as bolhas de vapor dentro da primeira passagem de vapor 560 podem passar através de uma abertura da mecha secundária 525, formada em qualquer local adequado ao longo da mecha secundária 525, para penetrar na passagem de líquido 525 ou na saída de fluido 512.
[000124] Com referência à Fig. 6, em outra implementação, o evaporador principal 115 é projetado como um evaporador de quatro furos 600, que é um projeto descrito no Pedido U.S. No. 09/896.561, depositado em 29/6/01. Resumidamente e com ênfase nos aspectos que diferem da configuração de evaporador de três furos, líquido flui para dentro do evaporador 600 através de uma entrada de fluido 605, através de uma baioneta 610 e para dentro de um núcleo 615. O líquido dentro do núcleo 615 penetra em uma mecha primária 620 e evapora, formando vapor, que é livre para fluir ao longo dos sulcos de vapor 625 e para fora de uma saída de vapor 630 para dentro da linha de vapor 130. Uma mecha secundária 633, dentro do núcleo 615, separa o líquido dentro do núcleo do vapor ou bolhas dentro do núcleo (que são produzidas quando líquido do núcleo 615 aquece). A líquido contendo bolhas formadas dentro de uma primeira passagem de fluido 635, dentro da mecha secundária 633, flui para fora de uma saída de fluido 640 e o vapor ou bolhas formadas dentro de uma passagem de
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30/66 vapor 642, posicionada entre a mecha secundária 633 e a mecha primária 62 0, flui para fora de uma saída de vapor 645.
[000125] Com referência também à Fig. 7, um sistema de transferência de calor 700 é mostrado em que o evaporador principal é um evaporador de quatro orifícios 600. O sistema 700 inclui um ou mais sistemas de transferência de calor 705 e um sistema de imprimação 710 configurado para converter fluido dentro dos sistemas de transferência de calor 705 em um liquido, para iniciar os sistemas de transferência de calor 705. Os evaporadores de quatro orifícios 600 são acoplados a um ou mais condensadores 715 por uma linha de vapor 720 e uma linha de fluido 725. O sistema de imprimação 710 inclui um reservatório propendido por frio 730, hidráulica e termicamente conectado a um evaporador de imprimação 735.
[000126] Considerações de projeto do sistema de transferência de calor 100 incluem partida do evaporador principal 115 de um estado supercritico, controle de fugas de calor parasitico, condução de calor através da mecha primária 140, propensão fria do reservatório frio 155 e contenção de pressão em temperaturas ambientes, que sejam maiores do que a temperatura critica do fluido de trabalho, dentro do sistema de transferência de calor 105.
[000127] Para acomodar estas considerações de projeto, a carcaça ou recipiente (tal como recipiente 515) do evaporador 115 ou 150 pode ser produzido de alumínio extrudado 6063 e as mechas primárias 140 e/ou 190 podem ser feitas de uma mecha de poros finos. Em uma implementação, o
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31/66 diâmetro externo do evaporador 115 ou 150 é de aproximadamente 1,59 cm e o comprimento do recipiente é de aproximadamente 15 cm. O reservatório 155 pode ser propendido por frio para um painel extremo do radiador 165, utilizando-se a derivação de alumínio 170. Além disso, um aquecedor (tal como um aquecedor kapton) pode ser ligado a um lado do reservatório 155.
[000128] Em uma implementação, a linha de vapor 130 é feita com tubulação de aço inoxidável com paredes lisas, tendo um diâmetro externo (OD) de 0,48 cm e a linha de liquido 125 e a linha de fluido secundária 160 são feitas de tubulação de aço inoxidável de parede lisa, tendo um OD de 0,32 cm. As linhas 125, 130, 160 podem ser dobradas em uma rota de serpentina e galvanizadas com ouro, para minimizar os ganhos de calor parasitico. Adicionalmente, as linhas 125, 130, 160 podem ser incluídas em uma caixa de aço inoxidável, com aquecedores para estimular um ambiente particular durante o teste. A caixa de aço inoxidável pode ser isolada com isolamento de multi-camadas (MLI), para minimizar fuga de calor através dos painéis do dissipador de calor 165.
[000129] Em uma implementação, o condensador 122 e a linha de fluido secundária 160 são feitas de tubulação tendo um diâmetro externo de 0,635 cm. A tubulação é ligada aos painéis do dissipador de calor 165, utilizando-se, por exemplo, epóxi. Cada painel do dissipador de calor 165 é um radiador de alumínio de condensação direta, de 2 0 cm x 4 8 cm, que utiliza uma folha de face com espessura de 0,16 cm. Os aquecedores kapton podem ser ligados aos painéis do
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32/66 dissipador de calor 165, próximo do condensador 120, para evitar congelamento inadvertido do fluido de trabalho. Durante operação, sensores de temperatura tais como termopares, podem ser usados para monitorar as temperaturas por todo o sistema 100.
[000130] O sistema de transporte de calor 100 pode ser implementado em quaisquer circunstâncias em que a temperatura critica do fluido de trabalho, do sistema de transferência de calor 105, esteja abaixo da temperatura ambiente em que o sistema 100 está operando. O sistema de transporte de calor 100 pode ser usado para resfriar componentes que requerem resfriamento criogênico.
[000131] Com referência às Figs. 8A-8D, o sistema de transporte de calor 100 pode ser implementado em um sistema criogênico miniaturizado 800. No sistema miniaturizado 800, as linhas 125, 130, 160 são feitas de material flexível, para permitir configurações espiraladas 805, que economizam espaço. O sistema miniaturizado 800 pode operar a -238°C empregando-se fluido néon. A entrada de energia Qin 116 é de aproximadamente 0,3 a 2,5 W. O sistema miniaturizado 800 acopla termicamente um componente criogênico (ou fonte de calor que requeira resfriamento criogênico) 816 a uma fonte de resfriamento criogênico, tal como um criorrefrigerador 810 acoplado para resfriar os condensadores 120, 122.
[000132] O sistema miniaturizado 800 reduz a massa, aumenta a flexibilidade e fornece capacidade de comutação térmica, quando comparado com os tradicionais sistemas termicamente-comutáveis, isolados de vibração. Os sistemas tradicionais termicamente comutáveis, isolados de vibração
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33/66 requerem duas ligações condutivas (FCLs), uma comutação térmica criogênica (CTSW) e uma barra de condução (CB), que forma um laço para transferir calor do componente criogênico para a fonte de resfriamento criogênico. No sistema miniaturizado 800, o desempenho térmico é aumentado porque o número de interfaces mecânicas é reduzido. As condições térmicas nas interfaces mecânicas são responsáveis por uma grande percentagem de ganhos de calor, dentro dos tradicionais sistemas termicamente comutáveis, isolados de vibração. A CB e duas FCLs são substituídas pela tubulação de baixa massa, flexível, de parede delgada, usada para as configurações espiraladas 805 do sistema miniaturizado 800.
[000133] Além disso, o sistema miniaturizado 800 pode funcionar em uma larga faixa de distâncias de transporte de calor, o que permite uma configuração em que a fonte de resfriamento (tal como o criorrefrigerador 810) sela localizada remotamente do componente criogênico 816. As configurações espiraladas 805 têm uma baixa massa e baixa área de superfície, assim reduzindo ganhos de calor parasitas através das linhas 125 e 160. A configuração da fonte de resfriamento 810, dentro do sistema miniaturizado 800, facilita a integração e enfardamento do sistema 800 e reduz as vibrações na fonte de resfriamento 810, o que se torna particularmente importante em aplicações sensoras infravermelhas. Em uma implementação, o sistema miniaturizado 800 foi testado usando-se néon, operando-se a 25-40K.
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34/66 [000134] Com referência às Figs. 9A-9C, o sistema de transferência de calor 100 pode ser implementado em um sistema engastado ajustável ou Gimbaled 1005, em que o evaporador principal 115 e uma parte das linhas 125, 160 e 130 são engastados para girar em torno de um eixo geométrico de elevação 1020, dentro de uma faixa de ± 45° e uma parte das linhas 125, 160 e 130 é engastada para girar em torno de um eixo geométrico azimutal 1025, dentro de uma faixa de ± 220°. As linhas 125, 160, 130 são formadas de tubulação de parede fina e são enroladas em torno de cada eixo geométrico de rotação. O sistema 1005 acopla termicamente um componente criogênico (ou fonte de calor que requer resfriamento criogênico) 1016, tal como um sensor de um telescópio criogênico, a uma fonte de resfriamento criogênico, tal como um criorrefrigerador 1010 acoplado para resfriar os condensadores 120, 122. A fonte de resfriamento 1010 é localizada em uma espaçonave estacionária 1060, assim reduzindo a massa no telescópio criogênico. O torque do motor para controlar a rotação das linhas 125, 160, 130, as exigências de força do sistema 1005, as exigências de controle para a espaçonave 1060 e a precisão de direcionamento para o sensor 1016 são
melhorados. 0 criorrefrigerador 1010 e o radiador ou
dissipador de calor 165 podem ser movidos do sensor 1016,
reduzindo a vibração dentro do sensor 1016. Em uma
implementação, o sistema 1005 foi testado para operar
dentro da faixa de 70 - 115K, quando o fluido de trabalho é nitrogênio.
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35/66 [000135] O sistema de transferência de calor 105 pode ser usado em aplicações médicas ou em aplicações em que o equipamento deve ser resfriado a abaixo das temperaturas ambientes. Como outro exemplo, o sistema de transferência de calor 105 pode ser usado para resfriar um sensor infravermelho (IV), que opera em temperaturas criogênicas para reduzir o ruído ambiente. O sistema de transferência de calor 105 pode ser usado para resfriar uma máquina de vender, que com freqüência aloja itens que preferivelmente são resfriados a temperaturas sub-ambientes. O sistema de transferência de calor 105 pode ser usado para resfriar componentes tais como um monitor ou uma unidade de disco rígido de um computador, tal como um computador laptop (computador de colo), computador portátil ou um computador de mesa. O sistema de transferência de calor 105 pode ser usado para resfriar um ou mais componentes de um dispositivo de transporte, tal como um automóvel ou avião.
[000136] Outras implementações estão dentro do escopo das seguintes reivindicações. Por exemplo, o condensador 120 e o dissipador de calor 165 podem ser projetados como um sistema integral, tal como, por exemplo, um radiador. Similarmente, o condensador secundário 122 e o dissipador de calor 165 podem ser formados de um radiador. O dissipador de calor 165 pode ser um dissipador de calor passivo (tal como um radiador) ou um criorrefrigerador que ativamente resfria os condensadores 120, 122.
[000137] Em outra implementação, a temperatura do reservatório 155 é controlada utilizando-se um aquecedor.
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Em uma outra implementação, o reservatório 155 é aquecido utilizando-se calor parasítico.
[000138] Em outra implementação, um anel coaxial de isolamento é formado e colocado entre a linha de líquido 125 e a linha de fluido secundário 160, que circunda o anel de isolamento.
Projeto do Evaporador [000139] Evaporadores são componentes integrantes dos sistemas de transferência de calor de duas fases. Por exemplo, como mostrado acima nas Figs. 5A e 5B, o evaporador 500 inclui uma carcaça de evaporador ou recipiente 515, que fica em contato com a mecha primária 540, que circunda o núcleo 510. O núcleo 510 define uma passagem de fluxo para o fluido de trabalho. A mecha primária 540 é circundada em sua periferia por uma pluralidade de canais de fluxo periféricos ou sulcos de vapor 545. Os canais 545 coletam vapor na interface entre a mecha 540 e a carcaça de evaporador 515. Os canais 545 ficam em contato com a saída de vapor 550, que alimenta a linha de vapor, que alimenta o condensador, para possibilitar a evacuação do vapor formado dentro do evaporador 115.
[000140] O evaporador 500 e os outros evaporadores discutidos acima com freqüência têm uma geometria cilíndrica, isto é, o núcleo do evaporador forma uma passagem cilíndrica, através da qual o fluido de trabalho passa. A geometria cilíndrica do evaporador é útil para aplicações de resfriamento em que a superfície de aquisição de calor seja cilindricamente oca. Muitas aplicações de
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37/66 resfriamento requerem que o calor seja transferido para longe de uma fonte de calor tendo uma superfície plana. Nestas espécies de aplicações o evaporador pode ser modificado para incluir um descanso condutivo plano, para igualar a área de cobertura da fonte de calor tendo a superfície plana. Tal projeto é mostrado, por exemplo, na Patente U.S. No. 6.382.309.
[000141] A geometria cilíndrica do evaporador facilita a complacência com as restrições termodinâmicas da operação LHP (isto é, a minimização das fugas de calor para dentro do reservatório). As restrições da operação de LHP origina-se do grau de sub-resfriamento que um LHP necessita produzir, para operação normal de equilíbrio. Adicionalmente, a geometria cilíndrica do evaporador é relativamente de fácil fabricação, manuseio, usinagem e processamento.
[000142] Entretanto, como será descrito a seguir, um evaporador pode ser projetado com uma forma plana, para mais naturalmente fixar-se a uma fonte de calor plana.
Projeto Plano [000143] Com referência à Fig. 10, um evaporador 1000 para um sistema de transferência de calor inclui uma parede aquecida 1005, uma parede barreira de liquido 1010, uma mecha primária 1015 entre a parede aquecida e o lado interno da parede barreira de liquido 1010, canais de remoção de vapor 1020 e canais de fluxo de liquido 1025.
[000144] A parede aquecida 1005 fica em contato intimo com a mecha primária 1015. A parede barreira de liquido 1010 contém fluido de trabalho em um lado interno
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38/66 da parede barreira de liquido 1010, de modo que o fluido de trabalho flui somente ao longo do lado interno da parede barreira de liquido 1010. A parede barreira de liquido 102 fecha o envoltório do evaporador e ajuda a organizar e distribuir o fluido de trabalho através dos canais de fluxo de liquido 1025. Os canais de remoção de vapor 1020 são localizados em uma interface entre uma superfície de vaporização 1017 da mecha primária 1015 e a parede aquecida 1005. Os canais de fluxo de líquido 1025 são localizados entre a parede barreira de líquido 1010 e a mecha primária 1015.
[000145] A parede aquecida 1005 atua como uma superfície de aquisição de calor para uma fonte de calor. A parede aquecida 1005 é feita de um material condutor de calor, tal como, por exemplo, folha metálica. O material escolhido para a parede aquecida 1005 tipicamente é capaz de suportar a pressão interna do fluido de trabalho.
[000146] Os canais de remoção de vapor 1020 são projetados para equilibrar a resistência hidráulica dos canais 1020, com a condução de calor através da parede aquecida 1005 para dentro da mecha primária 1015. Os canais 1020 podem ser eletro-cauterizados, usinados ou moldados em uma superfície com qualquer outro método conveniente.
[000147] Os canais de remoção de vapor 1020 são mostrados como sulcos no lado interno da parede aquecida
1005. Entretanto, os canais de remoção de vapor podem ser projetados e localizados de diferentes diversas maneiras, dependendo da abordagem de projeto escolhida. Por exemplo, de acordo com outras implementações, os canais de remoção
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39/66 de vapor 1020 são sulcados dentro da superfície externa da mecha primária 1015 ou embutidos dentro da mecha primária 1015, de modo que fiquem sob a superfície da mecha primária. O projeto dos canais de remoção de vapor 1020 é selecionado para aumentar a facilidade e conveniência de manufatura e para aproximar-se rigorosamente de uma ou mais das seguintes diretrizes.
[000148] Primeira, o diâmetro hidráulico dos canais de remoção de vapor 1020 deve ser suficiente para lidar com um fluxo de vapor gerado na superfície de vaporização 1017 da mecha primária 1015, sem uma significativa queda de pressão. Segunda, a superfície de contato entre a parede aquecida 1005 e a mecha primária 1015 deve ser maximizada para fornecer eficiente transferência de calor da fonte de calor para a superfície de vaporização da mecha primária 1015. Terceira, a espessura 1030 da parede aquecida 1005, que fica em contato com a mecha primária 1015, deve ser minimizada. Quando a espessura 1030 aumenta, a vaporização na superfície da mecha primária 1015 é reduzida e o transporte de vapor através dos canais de remoção de vapor 1020 é reduzido.
[000149] O evaporador 1000 pode ser montado de partes separadas. Alternativamente, o evaporador 1000 pode ser produzido como uma única parte, por sinterização in situ da mecha primária 1015, entre duas paredes tendo mandris especiais para formar canais em ambos os lados da mecha.
[000150] A mecha primária 1015 provê a superfície de vaporização 1017 e bombeia ou alimenta o fluido de trabalho
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40/66 dos canais de fluxo de liquido 1025 para a superfície de vaporização da mecha primária 1015.
[000151] O tamanho e projeto da mecha primária 1015 envolve diversas considerações. A condutividade térmica da mecha primária 1015 deve ser bastante baixa para reduzir o vazamento de calor da superfície de vaporização 1017, através da mecha primária 1015, e para os canais de fluxo de líquido 1025. O vazamento de calor pode também ser afetado pelas dimensões lineares da mecha primária 1015. Por esta razão, as dimensões lineares da mecha primária 1015 devem ser apropriadamente otimizadas para reduzir o vazamento de calor. Por exemplo, um aumento da espessura 1019 da mecha primária 1015 pode reduzir o vazamento de calor. Entretanto, a espessura aumentada 1019 pode aumentar a resistência hidráulica da mecha primária 1015 ao fluxo do fluido de trabalho. Nos projetos LHP de trabalho, a resistência hidráulica do fluido de trabalho, devida à mecha primária 1015, pode ser significativa e um equilíbrio apropriado destes fatores é importante.
[000152] A força que impele ou bombeia o fluido de trabalho de um sistema de transferência de calor é uma diferença de temperatura ou pressão entre os lados de vapor e líquido da mecha primária. A diferença de pressão é suportada pela mecha primária e é mantida por controle apropriado do equilíbrio térmico do fluido de trabalho entrante.
[000153] O líquido retornando para o evaporador, oriundo do condensador, passa através de uma linha de retorno de líquido e é ligeiramente sub-resfriado O grau de
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41/66 sub-resfriamento contrabalança o vazamento de calor através da mecha primária e o vazamento de calor do ambiente para dentro do reservatório dentro da linha de retorno de liquido. 0 sub-resfriamento do liquido mantém um equilíbrio térmico do reservatório. Entretanto, existe outros métodos úteis para manter o equilíbrio térmico do reservatório.
[000154] Um método é uma troca de calor organizada entre o reservatório e o meio ambiente. Para evaporadores tendo um projeto plano, tais como aqueles com freqüência usados para aplicações terrestres, o sistema de transferência de calor inclui aletas de troca de calor no reservatório e/ou na parede barreira de liquido 1010 do evaporador 1000. As forças de convecção natural nestas aletas fornecem sub-resfriamento e reduzem a tensão no condensador e no reservatório do sistema de transferência de calor.
[000155] A temperatura do reservatório ou a diferença de temperatura entre o reservatório e a superfície de vaporização 1017 da mecha primária 1015 suporta a circulação do fluido de trabalho através do sistema de transferência de calor. Alguns sistemas de transferência de calor podem requerer uma quantidade adicional de subresf riamento . A quantidade requerida pode ser maior do que o que o condensador pode produzir, mesmo se o condensador for completamente bloqueado.
[000156] No planejamento do evaporador 1000, três variáveis precisam ser controladas. Primeira, a organização e projeto dos canais de fluxo de liquido 1025 precisam ser determinados. Segunda, a ventilação do vapor dos canais de
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42/66 fluxo de liquido 1025 precisa ser levada em conta. Terceira, o evaporador 1000 deve ser projetado para assegurar que liquido encha os canais de fluxo de liquido 1025. Estas três variáveis são interrelacionadas e, assim, devem ser consideradas e otimizadas juntas, para formar um sistema de transferência de calor eficaz.
[000157] Como mencionado, é importante obter-se um equilíbrio apropriado entre o vazamento de calor para dentro do lado de liquido do evaporador e as capacidades de bombeio da mecha primária. Este processo de equilíbrio não pode ser feito independentemente da otimização do condensador, que fornece sub-resfriamento, porque quando maior o vazamento de calor permitido no projeto do evaporador mais sub-resfriamento precisa ser produzido no condensador. Quanto maior o condensador, maior são as perdas hidráulicas em uma linha de fluido, o que pode requerer diferente material de mecha com melhores capacidades de bombeio.
[000158] Na operação, quando energia de uma fonte de calor é aplicada ao evaporador 1000, liquido dos canais de fluxo de liquido 1025 penetra na mecha primária 1015 e evapora formando vapor, que fica livre para fluir ao longo dos canais de remoção de vapor 1020. O fluxo de liquido para dentro do evaporador 100 é provido pelos canais de fluxo de liquido 1025. Os canais de fluxo de liquido 1025 suprem a mecha primária 1015 com liquido suficiente para substituir o liquido que é vaporizado no lado de vapor da mecha primária 1015 e para substituir liquido que é vaporizado no lado de liquido da mecha primária 1015.
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43/66 [000159] O evaporador 1000 pode incluir uma mecha secundária 1040, que provê controle de fase em um lado de liquido do evaporador 1000 e suporta alimentação da mecha primária 1015 nos modos críticos de operação (como discutido acima). A mecha secundária 1040 é formada entre os canais de fluxo de liquido 1025 e a mecha primária 1015. A mecha secundária pode ser uma tela de malha (como mostrado na Fig. 10) ou uma artéria avançada e complicada, ou uma estrutura de mecha plana. Adicionalmente, o evaporador 1000 pode incluir um canal de ventilação de vapor 1045 e uma interface entre a mecha primária 1015 e a mecha secundária 1040.
[000160] A condução de calor através da mecha primária 1015 pode iniciar a vaporização do fluido de trabalho em um local errado - em um lado de liquido do evaporador 1000, próximo ou dentro dos canais de fluxo de liquido 1025. O canal de ventilação de vapor 1045 supre o vapor indesejado para longe da mecha, para dentro do reservatório de duas fases.
[000161] A estrutura de finos poros da mecha primária 1015 pode criar uma significativa resistência a fluxo para o liquido. Portanto, é importante otimizar o número, geometria e projeto dos canais de fluxo de liquido 1025. O objetivo desta otimização é suportar uma uniforme, ou próximo de uniforme, alimentação de fluxo para a superfície de vaporização 1017. Além disso, quando a espessura 1019 da mecha primária 1015 é reduzida, os canais de fluxo de liquido 1025 podem ser afastados mais entre si.
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44/66 [000162] O evaporador 1000 pode requerer que significativa pressão de vapor opere com um fluido de trabalho particular, dentro do evaporador 1000. O uso de um fluido de trabalho com uma alta pressão de vapor pode provocar diversos problemas com a contenção de pressão do invólucro de evaporador. Soluções tradicionais ao problema de contenção de pressão, tais como espessamento das paredes do evaporador, não sempre eficazes. Por exemplo, em evaporadores planos, tendo uma significativa área plana, as paredes tornam-se tão espessas que a diferença de temperatura é aumentada e a condutância de calor do evaporador é degradada. Adicionalmente, mesmo deflexão microscópica das paredes, devido à contenção de pressão, resulta em uma perda de contato entre as paredes e a mecha
primária. Tal perda de contato impacta a transferência de
calor através do evaporador. E a deflexão microscópica das
paredes cria dificuldades com as interfaces entre o
evaporador e a fonte de calor e qualque r equipamento de
resfriamento externo.
Projeto Anular
[000163] Com referência às Figs. 10 - 13, um
evaporador anular 1100 é formado rolando-se efetivamente o evaporador plano 1000, de modo que a mecha primária 1015 enrole-se de volta para dentro de si própria e forme um formato anular. O evaporador 1100 pode ser usado em aplicações em que as fontes de calor tenham um perfil externo cilíndrico ou em aplicações em que a fonte de calor possa ser conformada como um cilindro. O formato anular combina a resistência de um cilindro, para contenção de
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45/66 pressão, e a superfície de interface curva, para melhor possível contato com as fontes de calor conformadas cilindricamente.
[000164] O evaporador 1000 inclui uma parede aquecida 1105, uma parede barreira de líquido 1110, uma mecha primária 1115, posicionada entre a parede aquecida 1105 e o lado interno da parede barreira de líquido 1110, canais de remoção de vapor 1120 e canais de fluxo de líquido 1125. A parede barreira de líquido 1110 é coaxial com a mecha primária 1115 e a parede aquecida 1105.
[000165] A parede aquecida 1105 contata intimamente a mecha primária 1115. A parede barreira de líquido 1110 contém fluido de trabalho em um lado interno da parede barreira de líquido 1110, de modo que o fluido de trabalho flui somente ao longo do lado interno da parede barreira de líquido 1110. A parede barreira de líquido 1110 fecha o invólucro do evaporador e ajuda a organizar e distribuir o fluido de trabalho através dos canais de fluxo de líquido 1125.
[000166] Os canais de remoção de vapor 1120 são localizados em uma interface entre uma superfície de vaporização 1117 da mecha primária 1115 e a parede aquecida 1105. Os canais de fluxo de líquido 1125 são localizados entre a parede barreira de líquido 1110 e a mecha primária 1115. A parede aquecida 1105 atua como uma superfície de aquisição de calor e o vapor gerado nesta superfície é removido pelos canais de remoção de vapor 1120.
[000167] A mecha primária 1115 enche o volume entre a parede aquecida 1105 e a parede barreira de líquido 1110 do
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46/66 evaporador 1100, para prover vaporização menisco inversa confiável.
[000168] O evaporador 110 pode também ser equipado com aletas de troca de calor 1150, que contatam a parede barreira de liquido 1110, para propender por frio a parede barreira de liquido 1110. Os canais de fluxo de liquido 1125 recebem liquido de uma entrada de liquido 1155 e os canais de remoção de vapor 1120 estendem-se e fornecem vapor para uma saída de vapor 1160.
[000169] O evaporador 1100 pode ser usado em um sistema de transferência de calor que inclui um reservatório anular 1165, adjacente à mecha primária 1115. O reservatório 1165 pode ser propendido por frio com as aletas de troca de calor 1150, que se estendem através do reservatório 1165. A propensão por frio do reservatório 1165 permite a utilização da inteira área de condensador, sem necessidade de gerar sub-resfriamento no condensador. O resfriamento excessivo, provido pela propensão por frio do reservatório 1165 e do evaporador 1110, compensa o vazamento de calor parasitico, através da mecha primária 1115, para dentro do lado de liquido do evaporador 1100.
[000170] Em outra implementação, o projeto de evaporador pode ser invertido e as características de vaporização podem ser colocadas em um perímetro externo e as características de retorno de liquido podem ser colocadas no perímetro interno.
[000171] O formato anular do evaporador 1100 pode prover uma ou mais das seguintes vantagens adicionais.
Primeira, problemas com contenção de pressão podem ser
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47/66 reduzidos ou eliminados no evaporador anular 1100. Segunda, a mecha primária 1115 pode não necessitar ser sinterizada do lado interno, assim provendo mais espaço para um projeto mais sofisticado dos lados de vapor e líquido da mecha primária 1115.
[000172] Com referência também às Figs. 14A-H, um evaporador anular 1400 é mostrado tendo uma entrada de líquido 1455 e uma saída de vapor 1460. O evaporador anular 140 inclui uma parede aquecida 1700 (Figs. 14G, 14H e 17AD) , uma parede barreira de líquido 1500 (Figs. 14G, 14H,
15a e 15B), uma mecha primária 1600 (Figs. 14G, 14H e 16AD) , posicionada entre a parede aquecida 17 00 e o lado interno da parede barreira de líquido 1500, canais de remoção de vapor 14 65 (Fig. 14H) e canais de fluxo de líquido 1505 (Figs. 14H e 15B) . O evaporador anular 1400 também inclui um anel 1800 (Figs. 14G e 18A-D), que assegura espaçamento entre a parede aquecida 1700 e a parede barreira de líquido 1500 e um anel 1900 (Figs. 14G, 14H e 19A-D em uma base do evaporador 14 00, que provê suporte para a parede barreira de líquido 1550 e a mecha primária 1600. A parede aquecida 1700, a parede barreira de líquido 1500, o anel 1800, o anel 1900 e a mecha 1600 são preferivelmente formados de aço inoxidável.
[000173] A parte superior do evaporador 1400 (isto é, acima da mecha 1600) inclui um volume de expansão 1470 (Fig. 14H) . Os canais de fluxo de líquido 1505, que são formados na parede barreira de líquido 1500, são alimentados pela entrada de líquido 1455. A mecha 1600 separa os canais de fluxo de líquido 1505 dos canais de
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48/66 que conduzem à saída de vapor 14 60
remoção de vapor 1465,
através de uma coroa
formada no anel 1900.
anular de vapor 1475 (Fig. 14H),
Os canais de vapor 14 65 podem ser foto-calcinados na superfície da parede aquecida 1700.
[000174] Os evaporadores descritos aqui podem operar em qualquer combinação de materiais, dimensões e arranjos, contanto que personifiquem as características descritas acima. Não há restrições que não os critérios mencionados aqui; o evaporador pode ser produzido de qualquer formato, tamanho e material. As únicas restrições do projeto são que os materiais aplicáveis sejam compatíveis entre si e que o fluido de trabalho seja selecionado considerando-se as restrições estruturais, corrosão, geração de gases nãocondensáveis e problemas de tempo de vida.
[000175]
Muitas aplicações terrestres podem incorporar um
LHP com um evaporador anular 1100. A orientação do evaporador anular em um campo de gravidade é predeterminada pela natureza da aplicação e pelo formato da superfície aquecida.
Sistema de troca de calor cíclico [000176] Os sistemas de troca de calor cíclicos podem ser configurados com um ou mais sistemas de transferência de calor, para controlar uma temperatura em uma região do sistema de transferência de calor. O sistema de troca de calor cíclico pode ser qualquer sistema que opere utilizando um ciclo termodinâmico, tal como, Poe, um sistema de troca de calor cíclico, um sistema de troca de calor Stirling (também conhecido como um motor Stirling) ou um sistema de ar condicionado.
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49/66 [000177] Com referência à Fig. 20, um sistema de troca de calor Stirling 2000 utilizar um tipo conhecido de ciclo de refrigeração ambientalmente amistoso e eficiente. O sistema Stirling 2000 funciona direcionando-se um fluido de trabalho (por exemplo, hélio) através de quatro operações repetitivas; isto é, uma operação de adição de calor em temperatura constante, uma operação de rejeição de calor de volume constante, uma operação de rejeição de calor de temperatura constante e uma operação de adição de calor em volume constante.
[000178] O sistema Stirling 2000 é projetado como um Refrigerador Stirling de Êmbolo Livre (FPSC), tal como Global Cooling's model M100B (disponível na Global Cooling Manufacturing, 94N, Columbus Rd., Athens, Ohio). O FPSC 2000 inclui uma parte de motor linear 2005 alojando um motor linear (não mostrado), que recebe uma entrada de energia CA 2010. O FPSC 2000 inclui um aceitador de calor 2015, um regenerador 2020 e um rejeitador de calor 2025. O FPSC 2000 inclui uma massa de equilíbrio 2030 acoplada à carcaça do motor linear dentro da parte de motor linear 2005, para absorver vibrações durante operação do FPSC. O FPSC 2000 inclui um orifício de carga 2035. O FPSC 2000 inclui componentes internos, tais como aqueles mostrados no FPSC 2100 da Fig. 21.
[000179] O FPSC 2100 inclui um motor linear 2105 alojado dentro da parte de motor linear 2110. A parte de motor linear 2110 aloja um êmbolo 2115, que é acoplado às molas planas 212 0 em uma extremidade e em um pistão auxiliar 2125 em outra extremidade. O pistão auxiliar 2125
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50/66 acopla em um espaço de expansão 2130 e um espaço de compressão 2135, que formam, respectivamente, lados frio e quente. 0 aceitador de calor 2015 é fixado no lado frio 2130 e o rejeitador de calor é preso no lado quente 2135. O FPSC 2100 também inclui uma massa de equilíbrio 2140 acoplada à parte de motor linear 2110, para absorver vibrações durante operação do FPSC 2100.
[000180] Com referência também à Fig. 22, em uma implementação, um FPSC 2200 inclui rejeitador de calor 2205 produzido de uma luva de cobre e um aceitador de calor 2210 pode ser de uma luva de cobre. O rejeitador de calor 2205 tem um diâmetro externo (OD) de aproximadamente 100 mm e uma largura de aproximadamente 53 mm, para prover uma superfície de rejeição de calor de 166 cm2, capaz de prover um fluxo de 6W/cm2, quando operando em uma faixa de temperatura de 20 - 70°C. O aceitador de calor 2210 tem um diâmetro externo de aproximadamente 100 mm e uma largura de aproximadamente 37 mm, para prover uma superfície de aceitação de calor de 115 cm2, capaz de prover um fluxo de 5,2W/cm2, em uma faixa de temperatura de -30 - 5°C.
[000181] Resumidamente, em operação um FPSC é carregado com um refrigerante (tal como, por exemplo, gás Hélio), que é movido para trás e para frente por movimentos combinados do êmbolo e do pistão auxiliar. Em um sistema ideal, a energia térmica é rejeitada para o meio-ambiente através do rejeitador de calor, enquanto o refrigerante é comprimido pelo êmbolo e energia térmica é extraída do meio ambiente, através do aceitador de calor, enquanto o refrigerante expande-se.
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51/66 [000182] Com referência à Fig. 23, um sistema termodinâmico 2300 inclui um sistema de troca de calor cíclico, tal como um sistema de troca de calor cíclico 2305 (por exemplo, os sistemas 2000,
2100, 2200) e um sistema de transferência de calor 2320, termicamente acoplado a uma parte 2315 do sistema de troca de calor cíclico 2305. O sistema de troca de calor cíclico
2305 é cilíndrico e o sistema de transferência de calor
2310 é conformado para circundar a parte 1315 do sistema de troca de calor cíclico
2305, para rej eitar calor da parte 2325. Nesta implementação, a parte
2315 é o lado quente (isto é, o rejeitador de calor) do sistema de troca de calor cíclico
2305. O sistema termodinâmico
2300 também inclui uma ventoinha
2320, posicionada no lado quente do sistema de troca de calor cíclico 2305, para forçar ar sobre um condensador do sistema de transferência de calor 2310 e, assim, prover resfriamento por convecção adicional.
[000183] Um lado frio 2335 (isto é, o aceitador de calor) do sistema de troca de calor cíclico 2305 termicamente acoplado ao um refluxador de CO2
2340 de um termossifão 2345. O termossifão 2345 inclui um trocador de calor de lado frio 2350, que é configurado para resfriar ar dentro do sistema termodinâmico 2300, que é forçado através do trocador de calor 2350 por uma ventoinha 2355.
[000184] Com referência à Fig. 24, em outra implementação, um sistema termodinâmico 2400 inclui um sistema de troca de calor cíclico, tal como um sistema de troca de calor cíclico 2405 (por exemplo, os sistemas 2000,
2100, 2200) e um sistema de transferência de calor 2410
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52/66 termicamente acoplado a um lado quente 2415 do sistema de troca de calor cíclico 2405. O sistema termodinâmico 2400 inclui um sistema de transferência de calor 2420, termicamente acoplado a um lado frio 2425 do sistema de troca de calor cíclico 2405. O sistema termodinâmico 2400 também inclui as ventoinhas 2430, 2435. A ventoinha 2430 é posicionada no lado quente 2415, para forçar ar através de um condensador do sistema de transferência de calor 2410. A ventoinha 2435 é posicionada no lado frio 2425, para forçar ar através de um condensador do sistema de transferência de calor 2420.
[000185] Com referência à Fig. 25, em uma implementação, um sistema termodinâmico 2500 inclui um sistema de transferência de calor 2505, acoplado a um sistema de troca de calor cíclico, tal como um sistema de troca de calor cíclico 2510. O sistema de transferência de calor 2505 é usado para resfriar um lado quente 2515 do sistema de troca de calor cíclico 2510. O sistema de transferência de calor 2505 inclui um evaporador anular 2520, que inclui um volume de expansão (ou reservatório) 2525, uma linha de retorno de liquido 2530 provendo comunicação fluida entre as saídas de liquido 2535 de um condensador 2540 e a entrada de liquido do evaporador 2520. O sistema de transferência de calor 2505 também inclui uma linha de vapor 2545, provendo comunicação de fluido entre a saída de vapor do evaporador 2520 e entradas de vapor 2550 do condensador 2540.
[000186] O condensador 2540 é construído de tubulação de parede lisa e é equipado com aletas de troca de calor
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2555 ou bloco de aletas, para intensificar a troca de calor no lado externo da tubulação.
[000187] O evaporador 2520 inclui uma mecha primária 2560, intercalada entre uma parede aquecida 2565 e uma parede barreira de liquido 2570 e separando o liquido e vapor. A parede barreira de liquido 2570 é propendida por frio pelas aletas de troca de calor 2575 formadas ao longo da superfície externa da parede 2565. As aletas de troca de calor 2575 fornecem sub-resfriamento para o reservatório 2525 e o inteiro lado de liquido do evaporador 2520. As aletas de troca de calor 2575 do evaporador 2520 podem ser projetadas separadamente das aletas de troca de calor 2555 do condensador 2540.
[000188] A linha de retorno de liquido 2530 estendese para dentro do reservatório 2525, localizado acima da mecha primária 2560, e bolhas de vapor, se existirem, da linha de retorno de liquido 2530, canais de remoção de vapor, na interface da mecha primária 2560, e parede aquecida 2565, são ventiladas para dentro do reservatório 2525. Fluidos de trabalho típicos para o sistema de transferência de calor 2505, incluem (mas não são limitados a) metanol, botado, CO2, propileno e amônia.
[000189] O evaporador 2520 é fixado ao lado quente
2515 do sistema de troca de calor cíclico 2510. Em uma implementação, esta fixação é integral pelo fato de o evaporador 2520 ser uma parte integrante do sistema de troca de calor cíclico 2510. Em outra implementação, a fixação pode não ser integrante pelo fato de o evaporador
2520 poder ser presa por grampo a uma superfície externa do
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54/66 lado quente 2510. O sistema de transferência de calor 2505 é resfriado por um dissipador de convecção forçada, que pode ser provido por uma simples ventoinha 2580. Alternativamente, o sistema de transferência de calor 2505 é resfriado por uma convecção natural ou impelida.
[000190] Inicialmente, a fase liquida do fluido de trabalho é coletada em uma parte inferior do evaporador 2520, da linha de retorno de liquido 2530 e do condensador 2540. A mecha primária 2560 é úmida por causa das forças capilares. Tão logo calor é aplicado (por exemplo, o sistema de troca de calor cíclico 2510 é ligado), a mecha primária 2560 começa a gerar vapor, que se desloca através dos canais de remoção de vapor (similar aos canais de remoção de vapor 1120 do evaporador 1100) do evaporador 2520, através da saída de vapor do evaporador 2520 e para dentro da linha de vapor 2545.
[000191] O vapor então penetra no condensador 2540 em uma parte superior do condensador 2540. O condensador 2540 condensa o vapor dentro do líquido e o líquido é coletado em uma parte inferior do condensador 2540. O líquido é empurrado para dentro do reservatório 2525 por causa da diferença de pressão entre o reservatório 2525 e a parte inferior do condensador 2540. Líquido do reservatório 2525 penetra nos canais de fluxo de líquido do evaporador 2520. Os canais de fluxo de líquido do evaporador 2520 são configurados como os canais 1125 do evaporador 1100 e são apropriadamente dimensionados e localizados para prover adequada substituição de líquido para o líquido vaporizado. Pressão capilar, criada pela mecha primária 2560, é
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suficiente para suportar a queda de pressão LHP total e
para evitar que bolhas de vapor se desloquem através da
mecha primária 2560 para os canais de fluxo de líquido.
[000192] Os canais de fluxo de líquido do evaporador
2520 podem ser substituídos por uma simples coroa anular, se a propensão de frio discutida acima for suficiente para compensar a aumentada fuga de calor através da mecha primária 2560, que é causada pelo aumento da área de superfície da superfície de troca de calor da coroa anular, versus área de superfície dos canais de fluxo de líquido.
[000193] Com referência às Figs. 26 - 28, um sistema de transferência de calor 2600 inclui um evaporador 26095 acoplado a um sistema de troca de calor cíclico 2610 e um volume de expansão 2615 acoplado ao evaporador 2605. os canais de vapor do evaporador 2605 alimentam uma linha de vapor 2620 que alimenta uma série de canais 2625 de um condensador 2630. O líquido condensado do condensador 2630 é coletado em um canal de retorno de líquido 2635. O sistema de transferência de calor 2600 também inclui um bloco de aletas 2640, termicamente acoplado ao condensador 2630.
[000194] O evaporador 2605 inclui uma parede aquecida 2700, uma parede barreira de líquido 2705, uma mecha primária 2710, posicionada entre a parede aquecida 2700 e o lado interno da parede barreira de líquido 2705, canais de remoção de vapor 2715 e canais de fluxo de líquido 2720. A parede barreira de líquido 2 7 05 é coaxial com a mecha primária 2710 e com a parede aquecida 2700. Os canais de fluxo de líquido 2 72 0 são alimentados por um canal de
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56/66 retorno de liquido 2725 e os canais de remoção de vapor 2715 alimentam dentro de uma saida de vapor 2730.
[000195] A parede aquecida 2700 contata intimamente a mecha primária 2710. A parede barreira de liquido 2705 contém fluido de trabalho em um lado interno da parede barreira de liquido 2705, de modo que o fluido de trabalho flui somente ao longo do lado interno da parede barreira de liquido 2705. A parede barreira de liquido 2705 fecha o invólucro do evaporador e ajuda a organizar e distribuir o fluido de trabalho através dos canais de fluxo de líquido 2720.
[000196] Em uma implementação, o evaporador 2605 tem aproximadamente 2,54 cm de altura. O evaporador 2605 e o volume de expansão 2615 são enrolados em torno de uma parte do sistema de troca de calor cíclico 2610, tendo um diâmetro externo de 10,16 cm. A linha de vapor 2620 tem um raio de 0,3275 cm. O sistema de troca de calor cíclico 2610 inclui aproximadamente 58 canais de condensador 2625, com cada canal de condensador 2625 tendo um comprimento de 5,08 cm e um raio de 0,03048 cm, os canais 2625 sendo espalhados de modo que a largura do condensador 2 630 é de aproximadamente 101,6 cm. O canal de retorno de líquido 2630 e o bloco de aletas 2640 é de aproximadamente 101,6 cm de comprimento e é enrolado em um laço interno e externo (vide Figs. 30, 33 e 34), para produzir um trocador de calor cilíndrico, tendo um diâmetro externo de aproximadamente 20,32 cm. O evaporador 2605 tem uma largura de seção transversal 2750 de aproximadamente 0,3175 cm, como definido pela parede aquecida 2700 e a parede barreira
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57/66 de liquido 2705. Os canais de remoção de vapor 2715 têm larguras de aproximadamente 0,0508 cm e profundidades de aproximadamente 0,0508 cm e são separadas entre si por aproximadamente 0,0508 cm, para produzir 9,8 canais por centímetro.
[000197] Como mencionado acima, o sistema de transferência de calor (tal como sistema 1310) é termicamente acoplado à parte (tal como parte 2315) do sistema de troca de calor cíclico. O acoplamento térmico entre o sistema de transferência de calor e a parte pode ser por qualquer método adequado. Em uma implementação, se o evaporador do sistema de transferência de calor for termicamente acoplado ao lado quente do sistema de troca de calor cíclico, o evaporador pode circundar e contatar o lado quente e o acoplamento térmico pode ser capacitado por um composto graxo térmico aplicado entre o lado quente e o evaporador. Em outra implementação, se o evaporador do sistema de transferência de calor for termicamente acoplado ao lado quente do sistema de troca de calor cíclico, o evaporador pode ser construído inteiriçamente com o lado quente do sistema de troca de calor cíclico formando os canais de vapor diretamente no lado quente do sistema de troca de calor cíclico.
[000198] Com referência às Figs. 30-32, um sistema de transferência de calor 3000 é enfardado em torno de um sistema de troca de calor cíclico 3005. O sistema de transferência de calor 3000 inclui um condensador 3010 circundando um evaporador 3015. O fluido de trabalho que foi vaporizado deixa o evaporador 3015 através de uma saída
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58/66 de vapor 3020, conectada ao condensador 3010. O condensador 3010 enlaça em torno e dobra de volta dentro de si próprio na junção 3025.
[000199] O sistema de troca de calor cíclico 3005 é circundado em torno de sua superfície de rejeição de calor 3100 pelo evaporador 3015. O evaporador 3015 fica em contato íntimo com a superfície de rejeição de calor 3100. O conjunto de refrigeração (que é a combinação do sistema de troca de calor cíclico 3005 e do sistema de transferência de calor 3000) é engastado em um tubo 3205, com uma ventoinha 3210 fixada na extremidade do tubo 3205, para forçar ar através das aletas 3030 do condensador 3010, para exaurir os canais 3035.
[000200] O evaporador 3015 tem uma mecha 3215, em que o fluido de trabalho absorve calor da superfície de rejeição de calor 3100 e muda de fase de líquido para vapor. O sistema de transferência de calor 3000 inclui um reservatório 3220 no topo do evaporador 3015, que fornece um volume de expansão. Para simplicidade de ilustração, o evaporador 3015 foi ilustrado nesta vista como um bloco acurado simples, que não mostra detalhes internos. Tais detalhes internos são discutidos em outra parte desta descrição.
[000201] O fluido de trabalho vaporizado deixa o evaporador 3015 através da saída de vapor 3020 e entra em uma linha de vapor 3040 do condensador 3010. O fluido de trabalho flui para baixo da linha de vapor 3040, através dos canais 3045 do condensador 3010, para a linha de retorno de líquido 3050. Quando o fluido de trabalho flui
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59/66 através dos canais 3045 do condensador 3010, ele perde calor, através das aletas 3030, para a passagem de ar entre as aletas, para mudar a fase de vapor para liquido. O ar que passou através das aletas 3030 do condensador 3010 flui para longe através do canal de exaustão 3035. O fluido de trabalho liquefeito (e possivelmente algum vapor não condensado) flui da linha de retorno de liquido 3050 de volta para dentro do evaporador 3015, através do orifício de retorno de liquido 3055.
[000202] Com referência às Figs. 33 e 34, um sistema de transferência de calor 3300 circunda uma parte de um sistema de troca de calor cíclico 3302, que é circundado, por sua vez, pelos canais de exaustão 3305. O sistema de transferência de calor 3300 inclui um evaporador 3310, tendo uma parte superior que circunda o sistema de troca de calor cíclico 3302. Um orifício de vapor 3315 conecta o evaporador 3310 a uma linha de vapor 3312 de um condensador 3320. A linha de vapor 3312 inclui uma região externa que circunda em torno do evaporador 3310 e então dobra de volta sobre si mesmo na junção 3325, para formar uma região interna que circunda de volta em torno de evaporador 3310, na direção oposta. O sistema de transferência de calor 3300 também inclui aletas de resfriamento 3330 no condensador 3320.
[000203] O sistema de transferência de calor 33300 também inclui um orifício de retorno de liquido 3400, que provê um trajeto para fluido de trabalho condensado da linha de liquido 3405 do condensador 3320, para retornar para o evaporador 3310.
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60/66 [000204] Como mencionado acima, a interface entre o evaporador 3310 e a superfície de rejeição de calor do sistema de troca de calor cíclico 3302 pode ser implementada de acordo com uma de diversas implementações alternativas.
[000205] Com referência à Fig. 35, em uma implementação, um evaporador 3500 desliza sobre uma superfície de rejeição de calor 3502 de um sistema de troca de calor cíclico 3505. O evaporador 3500 inclui uma parede aquecida 3510, uma parede barreira de líquido 3515 e uma mecha 3520 intercalada entre as paredes 3510 e 3515. A mecha 3520 é equipada com canais de vapor 3525 e canais de fluxo de líquido 3530 são formados na parede barreira de líquido 3515, em forma simplificada para clareza.
[000206] O evaporador 3500 é deslizado sobre o sistema de troca de calor cíclico 3050 e pode ser mantido em posição com o uso de um grampo 3600 (mostrado na Fig. 36) . Para auxiliar a transferência de calor, graxa termicamente condutiva 3535 é disposta entre o sistema de troca de calor cíclico 3050 e a parede aquecida 3510 do evaporador 3500. Em uma implementação alternada, os canais de vapor 3525 são formados na parede aquecida 3510, em vez de na mecha 3520.
[000207] Com referência à Fig. 37, em outra implementação, um evaporador 3700 é encaixado sobre uma superfície de rejeição de calor 3702 de um sistema de troca de calor cíclico 3705 com um encaixe de interferência. O evaporador 3700 inclui uma parede aquecida 3710, uma parede barreira de líquido 3715 e uma mecha 3720 intercalada entre
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61/66 as paredes 3710 e 3715. O evaporador 3700 é dimensionado para ter um encaixe de interferência com a superfície de rejeição de calor 3702 do sistema de troca de calor cíclico 3705.
[000208] O evaporador 3700 é aquecido de modo que seu diâmetro interno se expande para permitir que deslize sobre a superfície de rejeição de calor não aquecida 3702. Quando o evaporador 3700 resfria, ele contrai-se para fixar-se sobre o sistema de troca de calor cíclico 3705, em uma relação de encaixe de interferência. Em razão da hermeticidade do encaixe, não é necessária nenhuma graxa termicamente condutiva para aumentar a transferência de calor. A mecha 3720 é equipada com canais de vapor 3725. Em uma implementação alternativa, os canais de vapor são formados na parede aquecida 3710 em vez de na mecha 3720. Canais de fluxo de liquido 3730 são formados na parede barreira de liquido 3715 de uma forma simplificada para clareza.
[000209] Com referência à Fig. 38, em outra implementação, um evaporador 3800 é encaixado sobre uma superfície de rejeição de calor 3802 de um sistema de troca de calor cíclico 3805 e as características previamente projetadas dentro do evaporador 3800 são agora integralmente formadas dentro da superfície de rejeição de calor 3802. Em particular, o evaporador 3800 e a superfície de rejeição de calor 3802 são construídas juntas como um conjunto integrado. A superfície de rejeição de calor 3802 é modificada para ter canais de vapor 3825; desta maneira,
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62/66 a superfície de rejeição de calor 3802 atua como uma parede aquecida para o evaporador 3800.
[000210] O evaporador 3800 inclui uma mecha 3820 e uma parede barreira de líquido 3815 em torno da superfície de rejeição de calor modificada 3802, a mecha 3820 e a parede barreira de líquido 3815 sendo inteiriçamente ligadas à superfície de rejeição de calor 3802, para formar um evaporador selado 3800. Os canais de fluxo de líquido 3830 são retratados em uma forma simplificada para clareza. Desta maneira, é formado um sistema de troca de calor cíclico híbrido, com um evaporador integrado. Esta construção integrada provê aumentado desempenho térmico, em comparação com a construção presa com grampo e a construção de encaixe de interferência, porque a resistência térmica é reduzida entre o sistema de troca de calor cíclico e a mecha do evaporador.
[000211] Com referência à Fig. 29, os gráficos 2900 e 2905 mostram a relação entre uma temperatura máxima da superfície da parte do sistema de troca de calor cíclico que é para ser resfriada pelo sistema de transferência de calor e uma área de superfície da interface entre o sistema de transferência de calor e a parte do sistema de troca de calor cíclico a ser resfriada. A temperatura máxima indica a quantidade máxima de rejeição de calor. No gráfico 2900, a interface entre a parte e o sistema de transferência de calor é realizada com um composto graxo térmico. No gráfico 2905, o sistema de transferência de calor é feito integral com a parte.
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63/66 [000212] Como mostrado, em um fluxo de ar de 3000 CFM, se a interface for uma interface de graxa térmica, então a quantidade máxima de rejeição de calor cairia dentro de uma temperatura máxima de superfície de rejeição de calor 2907 (por exemplo, 70°C), com uma área de superfície de troca de calor 2910 (por exemplo, 9,29 m2) . Quando o evaporador é construído integralmente com a parte formandos os canais de vapor diretamente na superfície de rejeição de calor, essa superfície de rejeição de calor opera abaixo da temperatura máxima da superfície de rejeição de calor da interface de graxa térmica, com áreas de superfície de troca térmica significativamente menores.
[000213] Com referência à Fig. 39, um condensador 3900 é formado com aletas 3905, que suprem comunicação térmica entre o ar ou o meio-ambiente e uma linha de vapor 3910 do condensador 3900. A linha de vapor 3910 acopla-se a uma saída de vapor 3915, que conecta o evaporador 3920, posicionado dentro do condensador 3900.
[000214] Com referência às Figs. 40 - 43, em uma implementação, o condensador 3900 é laminado e é formado com canais de fluxo, que se estendem através de uma placa plana 4000 do condensador 3900, entre uma cabeça de vapor 3925 e uma cabeça de liquido 3930. Cobre é um material adequado para uso na produção de um condensador laminado. O condensador de estrutura laminada 3900 inclui uma base 4200, tendo canais de fluxo de fluido 4205 (mostrados esquematicamente) formados nela e uma camada de topo 4210 é ligada à base 4200 para cobrir e selar os canais de fluxo de fluido 4205. Os canais de fluxo de fluido 4205 são
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64/66 projetados como valas formadas na base 4200 e seladas embaixo da camada de topo 4210. As valas para os canais de fluxo de fluido 4205 podem ser formadas por processos de cauterização química, cauterização eletroquimica, usinagem mecânica ou usinagem por descarga elétrica.
[000215] Com referência às Figs. 44 e 45, em outra implementação, o condensador 3900 é extrudado e pequenos canais de fluxo 440 estendem-se através de uma placa plana 4405 do condensador 3900. Alumínio é um material adequado para uso em tal condensador extrudado. A placa plana de micro canais extrudada 4405 estende-se entre um coletor de vapor 4410 e um coletor de liquido 4415. Além disso, o bloco de aletas corrugadas 4420 é ligado (por exemplo, á solda forte ou epóxido) a ambos os lados da placa plana 4405.
[000216] Com referencia a Fig. 46, uma vista em seção transversal de um lado de um sistema de transferência de calor 4 600, é acoplado a um sistema de troca de calor cíclico 4605. Esta vista mostra dimensões relativas que fornecem enfardamento particularmente compacto do sistema de transferência de calor, retratadas como estando facilidade de ilustração, rejeição de calor 4615 do 4 605 tendo um diâmetro de uma espessura de 0,635 condensador é de 4,45 cm. para o enfardamento (
Nesta vista, as aletas 4610 são 90 graus fora de fase para Para resfriar a superfície de istema de troca de calor cíclico 10,16 cm, o evaporador 4620 tem cm e a espessura radial do Isto fornece uma dimensão total combinação do sistema de
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65/66 transferência de calor 4600 e o sistema de troca de calor cíclico 4605) de 20,32 cm.
[000217] Como discutido, o evaporador usado no sistema de transferência de calor é equipado com uma mecha. Em razão de a mecha ser empregada dentro do evaporador do sistema de transferência de calor, o condensador pode ser posicionado em qualquer local em relação ao evaporador e em relação à gravidade. Por exemplo, o condensador pode ser posicionado acima do evaporador (em relação a uma atração gravitacional), embaixo do evaporador (em relação a uma atração gravitacional) ou adjacente ao evaporador, assim experimentando a mesma atração gravitacional que o evaporador.
[000218] Outras implementações estão dentro do escopo das seguintes reivindicações.
[000219] Notavelmente, as expressões motor Stirling, sistema de transferência de calor Stirling e Refrigerador Stirling de Êmbolo Livre foram referenciadas em diversas implementações acima. Entretanto, as características e pontos fundamentais descritos com respeito àquelas implementações também podem ser aplicados a outros motores capazes de conversões entre energia mecânica e energia térmica.
[000220] Além disso, as características e pontos fundamentais descritos acima podem ser aplicados a qualquer motor térmico, que seja um sistema termodinâmico que possa sofrer um ciclo, isto é, uma seqüência de transformações que finalmente o retorna para seu estado original. Se cada transformação do ciclo for reversível, o ciclo é reversível
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66/66 e as transferência de calor ocorrem na direção oposta e a quantidade de trabalho realizado troca de sinal. 0 ciclo reversível mais simples é um ciclo Carnot, que troca calor com dois reservatórios de calor.

Claims (8)

1. Sistema termodinâmico (2500) caracterizado pelo fato de que compreende:
um sistema de troca de calor cíclico (2510; 2610); e um sistema de transferência de calor (2505; 2600) compreendendo:
um evaporador anular (2520; 2605) incluindo uma parede (2565; 2700) configurada para ser acoplada a uma parte do sistema de troca de calor cíclico (2510; 2610) e uma mecha primária acoplada à parede; e um condensador (2540; 2630) acoplado ao evaporador para formar um circuito fechado que aloja um fluido de trabalho, em que o evaporador anular é ajustado por interferência ao sistema de troca de calor cíclico.
2. Sistema termodinâmico (2500), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o condensador (2540; 2630) inclui uma entrada de vapor e uma saída de líquido;
compreendendo ainda:
uma linha de vapor (2545; 2620) provendo comunicação fluida entre a saída de vapor e a entrada de vapor (2550); e uma linha de retorno de líquido (2530; 2635) provendo comunicação fluida entre a saída de líquido (2535) e uma entrada de líquido.
3. Sistema termodinâmico (2500), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o evaporador inclui:
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2/4 uma parede barreira de líquido (2570; 2705) contendo o fluido de trabalho em um lado interno da parede barreira de líquido, de modo que o fluido de trabalho flui apenas ao longo do lado interno da parede de barreira de líquido, em que a mecha primária é posicionada entre a parede aquecida e o lado interno da parede barreira de líquido;
um canal de remoção de vapor (2715) que é localizado em uma interface entre a mecha primária e a parede aquecida, o canal de remoção de vapor estendendo-se para a saída de vapor; e um canal de fluxo de líquido (2720) localizado entre a parede barreira de líquido e a mecha primária, o canal de fluxo de líquido recebendo líquido de uma entrada de líquido (2520).
4. Sistema termodinâmico (2500), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluido de trabalho é movido através do sistema de transferência de calor (2505; 2600) passivamente.
5. Sistema termodinâmico (2500), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o fluido de trabalho é movido através do sistema de transferência de calor (2505; 2600) sem o uso de bombeamento externo.
6. Sistema termodinâmico (2500), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluido de trabalho, dentro do sistema de transferência de calor (2505; 2600) muda entre um líquido e um vapor à medida que o fluido de trabalho passa através ou dentro de um ou mais dentre o evaporador (2520; 2605), o condensador (2540;
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3/4
2630), a linha de vapor (2545; 2620) e a linha de retorno de liquido (2530; 2635).
7. Sistema termodinâmico (2500), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluido de trabalho é movido através do sistema de transferência de calor (2505; 2600) com o uso de mecha (2560; 2710).
8. Sistema termodinâmico (2500), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda aletas termicamente acopladas ao condensador (2540; 2630) para rejeitar calor para um meio ambiente.
9. Sistema termodinâmico (2500), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o evaporador (2520; 2605) é termicamente acoplado à parte do
sistema de troca de calor cíclico (2510; 2610).
10. Sistema termodinâmico (2500), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de troca de calor cíclico (2510 ; 2610) inclui um sistema de transferência de calor Stirling • 11. Sistema termodinâmico (2500), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de troca de calor cíclico (2510 ; 2610) inclui um sistema de refrigeração. 12. Sistema termodinâmico (2500), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de transferência de calor (2505 ; 2600) é acoplado a um lado de calor do sistema de troca de calor cíclico (2510; 2610). 13. Sistema termodinâmico (2500), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema
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4/4 de transferência de calor (2505; 2600) é acoplado a um lado de frio do sistema de troca de calor cíclico (2510; 2610).
14. Método de utilizar o sistema termodinâmico (2500), como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de ser para resfriar a porção do sistema de troca de calor cíclico (2510; 2610).
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