BRPI0707129A2 - resfriamento de mancais, motores e outros componentes de geração de calor rotativos - Google Patents

Abstract

RESFRIAMENTO DE MANCAIS, MOTORES E OUTROS COMPONENTES DE GERAçãO DE CALOR ROTATIVOS. A presente invenção refere-se a aparelho de resfriamento para transferir calor de e resfriar um ou mais componentes de geração de calor que suportam ou acionam um volante ou outro elemento de rotação. O aparelho pode incluir um primeiro elemento de transferência de calor preso a e rodando com o elemento de rotação, um segundo elemento de transferência de calor estacionário com relação ao elemento de rotação, em que o primeiro e o segundo elementos de transferência de calor se movem em relação um ao outro, e em que o primeiro e o segundo elementos de transferência de calor são formados e posicionados em proximidade um do outro de modo que calor substancial é transferido do primeiro elemento de transferência de calor para o segundo elemento de transferência de calor.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "RESFRIA-MENTO DE MANCAIS, MOTORES E OUTROS COMPONENTES DE GE-RAÇÃO DE CALOR ROTATIVOS".

CAMPO TÉCNICO

A presente invenção refere-se a métodos e aparelho para o res-friamento de mancais, motores e outros componentes de geração de calorque suportam e acionam maquinaria rotativa, por exemplo, volantes que sãofechados em um vácuo parcial.

ANTECEDENTES

Um giro de momento de controle ("CMG") usado para atenuaçãode agitação em barcos é dependente de um volante pesado operando emaltas velocidades rotacionais. O volante em rotação é suportado por mancaisque são submetidos a altas cargas axiais e radiais. Como um resultado, essesmancais produzem uma quantidade substancial de calor gerado pelo atrito,que deve ser dissipado a fim de evitar a formação perigosa de calor. Se o vo-lante é suportado em um meio ambiente convencional, o calor pode ser dissi-pado pela convecção do ar, que pode ser auxiliada tendo um ar soprado porventoinha através das calhas de mancai externa e interna e os elementos demetal adjacentes. Mas se o volante está fechado em um vácuo parcial, porexemplo, como descrito na patente, Patente U.S. N°. 6.973.847, pode nãoexistir ar suficiente para permitir a convecção. O mesmo problema de resfria-mento pode existir em outros dispositivos nos quais os volantes giram em in-vólucros parcialmente evacuados (por exemplo, dispositivos de armazena-mento de energia mecânica) e processos de fabricação que usam câmarasevacuadas contendo elementos de rotação que exigem mancais de geraçãode calor. No presente, os dispositivos de armazenamento da energia do vo-lante tipicamente usam mancais magnéticos onerosos (que não geram calorde atrito) ao invés de mancais de elemento de rolamento muito mais econô-micos. Uma razão é que não existem métodos comprovados para remoção docalor das calhas internas dos mancais do elemento de rolamento em um vá-cuo parcial, exceto pelo jato ou circulação do óleo de resfriamento através dosmancais e isso tende a criar grandes perdas de potência.Dois tipos de fluxo de calor - condução e convecção - precisamser distinguidos. A condução do calor ocorre pelas moléculas batendo emoutras moléculas. Assim, quando você coloca sua mão em um radiadorquente, as moléculas em rápido movimento no metal quente batem em mo-léculas na sua pele, transferindo a energia para elas. A convecção do calorocorre quando as moléculas são movidas como uma conseqüência do ar (ououtro gás ou líquido) fluindo de uma localização para outra. Assim, o radia-dor quente aquece uma sala pela condução do calor para o ar imediatamen-te adjacente à superfície do radiador e a seguir pela convecção quando essear aquecido flui ao redor da sala. A quentura no ar é transferida para os ocu-pantes da sala pela condução, quando as moléculas no ar quente contatama pele ou a roupa da pessoa. A condução do calor pode ocorrer através deum gás, líquido ou sólido. Quando ela ocorre através de um gás, ela podeser chamada condução gasosa. Quando ela ocorre através de um sólido(por exemplo, através de um metal ou outro bom condutor de calor), ela po-de ser chamada condução sólida.

A lei de Fourier da condução do calor define uma transferênciade calor unidimensional entre duas superfícies paralelas pela condução ga-sosa:

Q = KAATMX

Onde Q = transferência de calor (watts)K = condutividade térmica do gás (watts/m - QC)A = área da superfície paralela (m2)

ΔΤ = diferencial de temperatura entre as duas superfícies detransferência de calor (gC)

ΔΧ = distância entre as superfícies de transferência de calor (m)

Como mostrado na equação, a quantidade de calor transferido édiretamente proporcional à condutividade térmica do gás, à área das super-fícies e à diferença de temperatura entre as superfícies e é inversamenteproporcional à distância entre as superfícies. A condutividade térmica do gás(K) é constante a despeito da pressão até que a pressão é tão baixa que atrajetória livre média molecular do gás fica igual à ou maior do que ã distân-cia entre as superfícies (ΔΧ). Isso significa que a quantidade de calor trans-ferido será independente da pressão até que a trajetória livre média do gásseja igual à ou maior do que a distância entre as superfícies. Abaixo dapressão onde a trajetória livre média molecular do gás é maior do que a dis-tância entre as superfícies, as moléculas do gás continuarão a conduzir ocalor, mas agora existe uma redução na condutividade térmica (e a quanti-dade de calor transferido) com reduções adicionais na pressão do gás.

SUMÁRIO

Descobriu-se que técnicas práticas para transferir o calor paralonge dos componentes de geração de calor, por exemplo, mancais e moto-res, que suportam e acionam maquinaria rotativa tal como volantes. Tipica-mente, o calor se formará nas calhas internas dos mancais que suportam ovolante (mas outras fontes de calor, tal como calor do motor, arrasto ou deslo-camento do ar são também possíveis). Uma tal formação de calor nas calhasinternas pode levar à falha do aparelho, já que um grande diferencial de tem-peratura pode resultar entre as calhas interna e externa do mancai. As calhasexternas tipicamente permanecem mais frias porque o calor pode fluir (pelacondução através dos elementos de metal adjacentes) das calhas externaspara o exterior do invólucro, onde o calor é dissipado pela convecção (ar pas-sando através da superfície exterior quente). Somente uma pequena quanti-dade de calor é conduzida através dos mancais (das calhas internas para asexternas), e assim as calhas internas e o volante no qual elas estão presastendem a ficar com temperatura elevada. As temperaturas em elevação po-dem destruir a efetividade do lubrificante do mancai, e pode também submetera calha interna a expansões térmicas não vistas pela calha externa do resfria-dor com a destruição catastrófica resultante dos mancais e aparelho.

Técnicas de resfriamento conhecidas incluem mergulhar osmancais em um banho de óleo circulante ou esguichar óleo através dosmancais (como em um motor de turbina a gás) ou bombear um grande vo-lume de névoa de ar/óleo através dos mancais (como nos fusos da ferra-menta de máquina) para lubrificá-los e resfriá-los. Entretanto, esses métodossão complicados e eles tendem a aumentar o calor gerado pelo mancai jáque o arrasto viscoso dos elementos de rolamento agitando-se através doóleo substancialmente aumenta a potência requerida para acionar o volanteou outro elemento de rotação. O método da névoa de óleo/ar não é aplicávelem aplicações a vácuo já que ele requer fluxo de ar substancial. Alguns fa-bricantes de ferramenta de máquina bombeiam água para baixo de um furoque é perfurado com pistola através do eixo dó fuso para remover o calordos mancais e motor. Isso também é difícil de aplicar em aplicações de vá-cuo já que a água deve ser mantida em pressão ambiente para impedir queela vaporize.

Em um primeiro aspecto, a invenção representa aparelho de res-friamento para transferir calor de e resfriar um ou mais componentes de ge-ração de calor que suportam ou acionam um volante ou outro elemento derotação. O aparelho compreende um primeiro elemento de transferência decalor preso a e rodando com o elemento de rotação, um segundo elementode transferência de calor estacionário com relação ao elemento de rotação,onde o primeiro e o segundo elementos de transferência de calor se movemem reiação um ao outro e onde o primeiro e o segundo elementos de trans-ferência de calor são formados e posicionados em proximidade um do outrode modo que calor substancial é transferido do primeiro elemento de transfe-rência de calor para o segundo elemento de transferência de calor. A proxi-midade das duas superfícies ou elementos estimula a transferência do calorpela condução gasosa. O movimento rotacional relativo e a proximidade doselementos criam fluxos da cavidade rotativa que estimulam a transferênciade calor pela convecção gasosa. Esses fluxos rotativos continuamente circu-lam as moléculas de ar do primeiro elemento mais quente para o segundoelemento mais frio.

Nas implementações preferidas, um ou mais dos seguintes po-dem ser incorporados. A transferência de calor entre o primeiro e o segundoelementos de transferência de calor pode ocorrer tanto por condução gasosaquanto por convecção. A transferência de calor entre o primeiro e o segundoelementos de transferência de calor pode ser primariamente pela conduçãogasosa. O primeiro e o segundo elementos de transferência de calor podemter superfícies expostas estritamente espaçadas através das quais o calor étransferido. O primeiro elemento de transferência de calor pode compreen-der uma pluralidade de primeiras pás, o segundo elemento de transferênciade calor pode compreender uma pluralidade de segundas pás, as primeiraspás podem se mover com relação às segundas pás, as primeiras pás podemse estender para dentro de vãos entre as segundas pás, de modo que a pri-meira e a segunda pás são intercaladas e calor substancial pode ser transfe-rido das primeiras pás para as segundas pás. Um invólucro pode circundar oelemento de rotação, o primeiro elemento de transferência de calor podecompreender a superfície externa do elemento de rotação e o segundo ele-mento de transferência de calor pode compreender a superfície interna doinvólucro espaçada por um pequeno vão do elemento de rotação, de modoque calor substancial é transferido pela condução gasosa do elemento derotação para o invólucro. A separação entre as primeiras pás e as segundaspás pode ser maior do que 0,025 mm, mas menor do que 10 mm. O elemen-to de rotação pode ser envolvido dentro de um invólucro contendo um gásem pressão abaixo da ambiente ou densidade abaixo da ambiente, o primei-ro elemento de transferência de calor e as primeiras pás podem rodar emrelação ao invólucro, o segundo elemento de transferência de calor e as se-gundas pás podem ser fixados em relação ao invólucro e o segundo elemen-to de transferência de calor pode ser posicionado de modo que o calor podeser prontamente transferido do segundo elemento de transferência de calorpara o exterior do invólucro. O gás pode estar tanto na pressão abaixo daambiente quanto na densidade abaixo da ambiente. O eixo geométrico derotação ao redor do qual o elemento de rotação roda pode definir uma dire-ção axial, as primeiras pás podem ser elementos cilíndricos que se esten-dem em uma primeira direção axial de uma primeira base presa no elementode rotação, as segundas pás podem ser elementos cilíndricos que se esten-dem em uma segunda direção axial, oposta à primeira direção axial, a partirde uma segunda base presa no invólucro e os vãos entre as segundas páspodem ser canais cilíndricos formados e posicionados para receber as pri-meiras pás cilíndricas. O eixo geométrico de rotação ao redor do qual o ele-mento de rotação roda pode definir uma direção axial, a primeira e a segun-da pás podem ser elementos planares que se estendem em direções radiaisperpendicularmente à direção axial e os vãos entre as segundas pás podemser canais planares formados e posicionados para receber as primeiras pásplanares. O primeiro e o segundo elementos de transferência de calor po-dem ficar localizados adjacentes a um mancai que suporta o elemento derotação, o mancai pode ter uma calha interna e uma calha externa, as pri-meiras pás e a calha interna podem ser presas no elemento de rotação, demodo que o calor flui pela condução da calha interna para as primeiras pás edo elemento de rotação para as primeiras pás, a calha externa pode ser pre-sa no invólucro e a calha interna, elemento de rotação, primeiras pás e se-gundas pás podem ser dimensionados e posicionados de modo que o calorda calha interna do mancai flui pela condução sólida da calha interna para oelemento de rotação e para as primeiras pás, pela condução sólida do ele-mento de rotação para as primeiras pás e pela condução gasosa e convec-ção das primeiras pás para as segundas pás, e pela condução sólida dassegundas pás para o exterior do invólucro. O aparelho pode compreenderpelo menos dois mancais, cada um com seu próprio primeiro e segundo e-Iementos de transferência de calor como descrito. O elemento de rotaçãopode ser um volante e o volante e o invólucro podem ser parte do estabiliza-dor de agitação giroscópico para um barco. A invenção pode também com-preender um dissipador de calor no qual o calor flui das segundas pás. Odissipador de calor pode compreender aletas resfriadas a ar no exterior doinvólucro. O gás entre o primeiro e o segundo elementos de transferênciapode ter uma trajetória livre média molecular igual à ou menor do que a dis-tância entre os elementos de transferência de calor. A invenção pode tam-bém compreender uma pluralidade de conjuntos de primeira e segunda pás.

O gás pode ter uma maior condutividade térmica do que o ar. O componentede geração de calor pode compreender um ou mais mancais. O componentede geração de calor pode compreender um ou mais motores elétricos.

O vão entre as pás rotativas mais quentes e as pás não rotativasmais frias pode ser mantido muito pequeno, e assim prover uma trajetória decalor para o exterior do dispositivo contanto que as pás rotativas fiquem maisquentes do que as pás estacionárias. O calor pode ser conduzido dos com-ponentes de geração de calor para as pás rotativas pela condução sólida, aseguir através do vão de ar para as pás estacionárias pela condução gasosae convecção e a seguir pela condução e convecção para a atmosfera ou umdissipador de calor.

Esse primeiro aspecto da invenção tem vantagens significativas.Por exemplo, quando aplicado a condições de pressão ambiente e acima daambiente, ele não exige o bombeamento de grandes volumes de ar ou fluidode resfriamento para resfriar os componentes de geração de calor. Entretan-to, vantagens até mesmo maiores são encontradas em pressão abaixo daambiente, onde o resfriamento convectivo com ar se torna muito difícil porcausa da pressão reduzida, e a transferência de calor radiante pode ser in-significante porque os diferenciais de temperatura podem não ser grandes osuficiente para transferir uma quantidade significativa de calor. A confiançana condução gasosa se beneficia do fato que a condutividade térmica de umgás aumenta com a temperatura de modo que à medida que o gás se aque-ce, ele conduzirá mais calor através do vão (para um diferencial de tempera-tura fixo) entre as pás rotativas e estacionárias. Isso ajuda a estabilizar ocomportamento térmico.

Fluxos da cavidade rotativa existirão nos pequenos vãos entreas pás fixas e rotativas mesmo em um vácuo parcial. Em algumas aplica-ções, a densidade do gás e/ou a velocidade rotacional serão altas o suficien-te que a convecção gasosa aumentará o resfriamento por condução gasosa.

O fluxo rotativo circula as moléculas do gás de modo que elas são continu-amente transportadas das pás rotativas quentes para as pás estacionáriasmais frias.

O primeiro aspecto permite que o calor seja removido passiva-mente sem circular quaisquer fluidos dentro do invólucro. Isso consideravel-mente simplifica o dispositivo ou máquina, já que uma bomba de refrigeran-te, motor, filtro e trocador de calor não são requeridos. Mancais Iubrificadoscom graxa podem ser usados e esses terão menos torque por atrito do queos mancais Iubrificados a óleo.

Em um segundo aspecto, a invenção representa o aparelho deresfriamento para transferir calor de e resfriar um ou mais componentes degeração de calor que suportam ou acionam um volante ou outro elemento derotação. O aparelho compreende um conjunto de pás rotativas montadaspara rodar com o elemento de rotação, um orifício configurado para direcio-nar um borrifo de líquido de resfriamento sobre as pás rotativas, onde o lí-quido de resfriamento é borrifado sobre as pás rotativas em uma localizaçãoradialmente para dentro, de modo que o líquido flui radialmente para forasobre a superfície das pás como uma película fina de líquido e é lançadopara fora das pás pela ação centrífuga e aparelho de coleta configurado paracoletar o líquido lançado para fora das pás.

Implementações preferidas desse aspecto da invenção podemincorporar um ou mais dos seguintes. A intenção pode também compreenderaparelho de resfriamento configurado para resfriar o líquido coletado peloaparelho de coleta, e onde o líquido resfriado pode ser retornado para o ori-fício. Pode existir uma pluralidade de borrifos de líquido de resfriamento, ca-da corrente pode ser mais estreita do que o vão entre as pás rotativas e ca-da corrente pode ser direcionada de modo que ela geralmente percorre entreas pás para a localização radialmente interior. O líquido de resfriamento po-de ser um óleo. O elemento de rotação pode ser envolvido dentro de um in-vólucro contendo um gás em pressão abaixo da ambiente ou densidade a-baixo da ambiente, as pás rotativas podem rodar com o elemento de rotaçãodentro do invólucro e o orifício pode ser fixado em relação ao invólucro. Apressão do vapor do líquido de resfriamento pode ser menor do que a pres-são de operação do gás dentro do invólucro. Pode existir uma pluralidade deconjuntos de pás rotativas. O óleo usado para o resfriamento pode tambémser usado para lubrificação de pelo menos um mancai.

O aspecto de resfriamento do líquido da invenção tem vantagenssignificativas. Por exemplo, a película de líquido mais fria se movendo emalta velocidade através da superfície mais quente das pás rotativas constituium trocador de calor muito eficiente. O óleo que sai das pás pode ser fácil-mente coletado e resfriado, tanto passiva quanto ativamente, e a seguir re-tornado para o orifício para ser borrifado nas pás novamente.

Para mancais de volante de velocidade muito alta, a lubrificaçãocom óleo é obrigatória e nesse caso o esquema de resfriamento do líquido temuma vantagem, já que o óleo pode ser usado para resfriar e Iubrificar os man-cais. A quantidade de óleo requerido para Iubrificar os mancais é muito peque-na. Portanto, esguichar o óleo sobre as pás rotativas para o resfriamento exigemuito menos potência do que esguichar ou circular o óleo através dos mancaiscomo nos esquemas de resfriamento de mancai tradicionais.

Ambos o primeiro e o segundo aspectos da invenção superam oproblema do resfriamento de componentes rotativos que geram calor e sãoenvolvidos em um vácuo parcial. Eles ambos permitirão o desenvolvimentode giros de momento de controle (CMGs) para estabilizar pequenos barcos eo desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia do volanteque usam mancais de elemento de rolamento, já que agora existe uma ma-neira para remover o calor desses componentes rotativos que não aumentaas exigências da potência de operação. Adicionalmente, a invenção podeauxiliar no resfriamento das calhas internas dos mancais, motores e outroscomponentes de geração de calor rotativos que operam em espaços confi-nados em pressão ambiente ou acima da ambiente (por exemplo, fusos deferramenta de máquina).

Outros aspectos e vantagens da invenção serão encontrados nadescrição detalhada, desenhos e reivindicações.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A figura 1 é uma vista em seção transversal de um CMG de es-tabilidade de barco incorporando uma implementação do primeiro aspectoda invenção.

A figura 2 é uma ampliação da porção do mancai superior 2-2 dafigura 1.

A figura 3 é uma ampliação da porção do mancai inferior 3-3 dafigura 1.

A figura 4 é uma vista da seção transversal (tomada ao longo de4-4 na figura 5) através do elemento de transferência de calor externo daimplementação da figura 1.

A figura 5 é uma vista plana (tomada ao longo de 5-5 na figura 4)olhando para cima nas pás do elemento de transferência de calor da figura4.

A figura 6 é uma vista em elevação do elemento de transferênciade calor da figura 4.

A figura 7 é uma vista plana (tomada ao longo de 7-7 na figura 6)olhando para baixo na superfície superior do elemento de transferência decalor da figura 4.

A figura 8 é uma vista da seção transversal (tomada ao longo de8-8 na figura 9) através do elemento de transferência de calor interno da im-plementação da figura 1.

A figura 9 é uma vista plana (tomada ao longo de 9-9 na figura 8)olhando para baixo na superfície superior do elemento de transferência decalor interno da figura 8.

A figura 10 é uma vista da seção transversal de um CMG de es-tabilidade de barco incorporando uma implementação do resfriamento comlíquido do segundo aspecto da invenção.

A figura 11 é uma ampliação da porção de mancai superior 11-11 da figura 10.

A figura 12 é uma ampliação da porção de mancai superior 12-12 da figura 10.

A figura 13 é uma elevação do conjunto de pás rotativas da im-plementação da figura 10.

A figura 14 é uma vista de seção transversal do conjunto de pásrotativas da figura 13.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Existem muitas implementações possíveis da invenção, muitaspara descrever aqui. Algumas implementações possíveis que são atualmen-te preferidas são descritas abaixo. Não pode ser enfatizado muito fortemen-te, entretanto, que essas são descrições de implementações da invenção enão descrições da invenção, que não é limitada às implementações detalha-das descritas nessa seção, mas é descrita em termos mais amplos nas rei-vindicações.

É mostrado na figura 1 um estabilizador de agitação giroscópico10 para pequenos barcos (do tipo descrito na Patente U.S. N°. 6.973.847,incorporada aqui por referência). Um volante de aço 12 gira dentro de uminvólucro de alumínio 14, que é evacuado para uma pressão abaixo da am-biente, e pode incluir um gás de densidade abaixo da ambiente (por exem-plo, hélio ou hidrogênio) para reduzir o atrito no volante em rotação. Um mo-tor elétrico (sem escova DC sem armação) 16 integrado dentro do interior doinvólucro aciona o volante, que é suportado por um conjunto de mancai su-perior 18 e conjunto de mancai inferior 20.

Como mostrado nas ampliações das figuras 2-3, cada conjuntode mancai inclui um alojamento externo 22,24, calha externa 26,28, calhainterna 30,32 e bolas 34. As vedações 36 são providas em ambos o topo e abase de cada mancai. Retentores superior e inferior 40,42 mantêm o mancaisuperior no lugar. Esses mancais são Iubrificados por um pacote de graxa.

O calor gerado pelas calhas internas do mancai e rotor do motorelétrico é transferido para o exterior pelos conjuntos de colar de resfriamento50,52 (uma de muitas implementações dos elementos de transferência decalor) localizados adjacentes a cada mancai. Cada conjunto de colar de res-friamento inclui um colar rotativo interno 54,56 e um colar estacionário exter-no 58,60 que também forma a tampa de extremidade do invólucro. Os cola-res 54, 56, 58, 60 podem ser construídos de uma variedade de materiaiscom boa condutividade térmica (por exemplo, alumínio, cobre ou plástico).

Como mostrado nas figuras 4-5, os colares externos 58,60 temdez pás cilíndricas 62, cada uma de um raio diferente. Os vãos cilíndricos 64são formados entre as pás. As pás são aproximadamente de 2,77 mm deespessura radial, e a separação radial entre as pás (isto é, a largura radialdos vãos) é aproximadamente 4,78 mm. As pás 62 são aproximadamente de32 mm de comprimento ao longo da direção axial.

Os colares internos 54,56 têm onze pás cilíndricas 66 e vãoscilíndricos 68 entre as pás (figuras 2-3), cada um de um raio diferente, e di-mensionado e posicionado de modo que as pás 66 se unem com as pás 62dos colares externos correspondentes. As pás 66 são aproximadamente domesmo comprimento (32 mm), largura e espessura radial como as pás 62 esão recebidas nos vãos 64 entre as pás 62.

Depois que os colares interno e externo são unidos, com as pásintercaladas, a separação radial entre uma pá rotativa de um colar e uma páestacionária de um outro é aproximadamente 1 mm. Para melhorar a trans-ferência de calor pela condução gasosa, essa separação pode ser feita tãopequena quanto possível sujeita às limitações práticas tal como tolerânciasde usinagem e operação. Nas aplicações de vácuo parcial, a separação tipi-camente não é menor do que a trajetória livre média das moléculas de gásna pressão de operação. Essa pequena separação garante que a condutivi-dade térmica do gás não seja reduzida pela pressão do vácuo e auxilia atransferência do calor pela convecção gasosa.

Em uma implementação, a pressão de operação é 133 pascal (1torr), a temperatura de operação é 100 C e a trajetória livre média moleculardo ar é 0,066 mm, que é significativamente menor do que 1 mm de separa-ção radial. Na prática, a distância pode variar dessas orientações gerais con-tanto que calor substancial seja transferido através da separação.

Como mostrado nas figuras 6-7, as superfícies exteriores doscolares externos 58,60 têm pás de transferência de calor adicionais 70, quetransferem o calor do colar para a atmosfera circundante (pela condução nasuperfície das pás, com a convecção movendo o ar além das pás).

Na implementação mostrada, as pás rotativas e estacionárias66, 62 têm, cada uma, uma área de superfície total de 0,34 metros quadra-dos. Um diferencial de temperatura típico entre as pás rotativas e estacioná-rias é 15 C e a condução do ar sozinha transferirá 153 watts através do vãopara resfriar a calha interna do mancai nesse diferencial. Se for necessárioprover mais resfriamento, as pás estacionárias poderiam ser ativamente res-friadas soprando ar sobre elas (fora da restrição) para criar um diferencial detemperatura maior entre as pás rotativas e estacionárias. Um diferencial detemperatura de 30 C transferiria 306 watts pela condução gasosa sozinha.Alternativamente, a quantidade de transferência de calor poderia ser aumen-tada pelo enchimento de novo da câmara de vácuo com hélio ou hidrogêniodepois do bombeamento descendente inicial. A condutividade térmica dohélio é aproximadamente 5,6 vezes essa do ar, e, portanto, um diferencial detemperatura de 15 C transferiria 855 watts de calor pela condução gasosasozinha. Se mais aumentos na transferência de calor fossem requeridos, aseparação radical entre as pás fixas e rotativas poderia ser reduzida de 1mm para 0,5 mm. É tipicamente possível operar com essa pequena separa-ção radial em máquinas como CMGs e dispositivos de armazenamento deenergia de volante são tipicamente fabricados em tolerâncias muito estreitas(menores do que 0,025 mm tipicamente) e seus volantes são suportados emmancais de elemento de rolamento de precisão muito alta. Se o volante estáenvolvido em hélio em 133 pascal (1 torr), a separação radial é de 0,5 mm eo diferencial de temperatura é 15 C, então 1710 watts de calor podem sertransferidos das calhas internas do mancai pela condução gasosa sozinha. Étambém possível ajustar a quantidade de calor transferido aumentando oudiminuindo a área de superfície das pás.

Esses exemplos mostram como o método de resfriamento e oaparelho podem ser ajustados para prover a quantidade de resfriamento queos componentes de geração de calor exigem a fim de obter as temperaturasde operação estáveis. O projetista pode variar a área da pá, separação radi-al, tipo do gás, densidade do gás e a diferença de temperatura entre as pásrotativas e estacionárias para obter a solução ótima para uma aplicação es-pecífica.

As figuras 10-14 mostram uma implementação do esquema deresfriamento com líquido. A implementação de resfriamento com líquidotambém depende dos colares de resfriamento no eixo rotativo adjacente àfonte primária de calor, isto é, a calha interna dos mancais do volante. Entre-tanto, com resfriamento com líquido, as aletas nos colares consistem emdiscos planares espaçados que se estendem radialmente para fora do eixo,e não existem aletas fixas correspondentes presas na restrição do volante.Preferivelmente, o resfriamento é realizado por jatos de óleo posicionadosna restrição externa aos discos que esguicham correntes de óleo entre osdiscos rotativos e em direção ao centro do eixo do volante, assim conduzin-do o calor dos discos para o óleo, que é então arremessado pela força cen-trífuga para fora para ser coletado por um forro interno dentro da restrição,mas fora do perímetro do volante. Isso força, por sua vez, o óleo quente aseguir a curvatura interna da restrição na sua trajetória gravitacional descen-dente, onde ele transfere o calor para a restrição, auxiliado pelas arestasinteriores na restrição que aumentam a área de superfície contatada peloóleo. O óleo é coletado em um reservatório no fundo do dispositivo, onde eleé bombeado de volta até os jatos de óleo, completando o ciclo de resfria-mento.

Gom referência novamente à figura 10, o calor gerado pelas ca-lhas internas do mancai e rotor do motor elétrico é transferido para os con-juntos de colar de resfriamento superior e inferior 71,72 localizados adjacen-tes às calhas internas do mancai superior e inferior 73,74. No caso do man-cai superior, um alojamento estacionário 75 circunda o colar de resfriamentosuperior e forma a tampa de extremidade do invólucro. No caso do mancaiinferior, o alojamento estacionário 76 circundando o colar de resfriamentoinferior é parte do conjunto do reservatório de óleo 77.

O conjunto do reservatório também contém o óleo de resfria-mento 78, bomba de resfriamento 79, motor da bomba de resfriamento 80 eum filtro e válvulas (não mostrados). Os conjuntos do colar de resfriamento71,72 podem ser construídos de uma variedade de materiais que têm boacondutividade térmica (por exemplo, alumínio e cobre).

Como mostrado em mais detalhes nas figuras 11-14, cada umdos conjuntos de colar de resfriamento tem 4 pás horizontais que formam 3vãos entre as pás. O raio interno dos vãos é de 54 mm, o raio externo é de89 mm e a largura dos vãos é de 2,4 mm. Os alojamentos estacionários su-perior e inferior que circundam os colares de resfriamento contêm, cada um,3 jatos de óleo 81 (um por vão). Esses jatos são montados e orientados talque eles borrifam uma corrente de óleo de resfriamento para dentro e para-leia aos vãos entre as pás horizontais. O diâmetro do orifício do jato é de0,64 mm onde a corrente sai.

A corrente muito fina de óleo de resfriamento contata o fundo decada vão nas pás do colar de resfriamento e é redirecionada pela alta velo-cidade de rotação tal que ela cria uma película fina que cobre completamen-te as superfícies da pá antes que as forças centrífugas lancem a películapara fora. A película de óleo mais fria se movendo em alta velocidade atra-vés da superfície da pá mais quente absorve o calor pela condução e otransporta para longe pela convecção. O resultado é uma transferência decalor muito eficiente da calha interna do mancai para o colar de resfriamentoe a seguir para o óleo de resfriamento.

O óleo aquecido que sai das pás do colar superior bate no alo-jamento estacionário 75, cai através de furos no alojamento do mancai 82 éé coletado por um forro interno 83 dentro da restrição, mas fora do perímetrodo volante 84. O forro é montado nas nervuras interiores da restrição 85 pa-ra aumentar a área de superfície em contato com o óleo. Essa disposição deforro/nervura força o óleo quente a seguir a curvatura interna da restrição nasua trajetória gravitacional descendente para o reservatório abaixo do man-cai inferior. À medida que o óleo segue o seu contorno, ele transfere o calorpara a restrição mais fria, que diminui de maneira estável a temperatura doóleo até que ele alcança o reservatório 77.

Pode também existir um fluxo de óleo desviado que é borrifadona restrição entre as nervuras e o forro um pouco abaixo do mancai superior.Esse fluxo desviado aumenta a quantidade de óleo em contato com a restri-ção e ajuda a resfriar o óleo no reservatório.

O óleo quente que sai das pás do colar inferior 72 cai dentro doreservatório 77 sem resfriamento significante. Em qualquer ponto no tempo,o reservatório contém uma mistura de óleo do colar superior que foi resfriadopela restrição, óleo desviado que foi resfriado pela restrição e óleo do colarinferior que não foi resfriado. As áreas de superfície interna e externa da res-trição e o resfriamento externo podem ser projetados de modo que calor su-ficiente seja extraído do óleo que sai do colar superior e do fluxo do óleodesviado para resfriar a mistura de óleo no reservatório. O óleo no reservató-rio é capturado pela bomba e bombeado de volta até os jatos de óleo e borri-fado sobre os colares superior e inferior e através dos jatos desviados, assimcompletando o ciclo de resfriamento.

Essa implementação de colar de resfriamento particular tem umaárea de superfície de pá total de 0,093 metros quadrados em contato com oóleo. A bomba de óleo entrega 0,5 Litros por minuto por colar ou 0,165 Litrospor minuto por jato. A temperatura do óleo aumenta 159C (da sua entradasobre as pás até a sua saída das pás) para transferir 250 watts de calor dacalha interna do mancai e manter a calha interna em uma temperatura nafaixa de 80-100 C.

Como o esquema das figuras 1-9, o esquema do resfriamentocom líquido é flexível se é necessário prover mais resfriamento. A área da páde resfriamento, número de vãos/jatos e taxa de fluxo de resfriamento po-dem todos ser aumentados para aumentar a taxa de transferência de calordas calhas internas do mancai e motor para a restrição. Se o óleo usado pa-ra a transferência de calor não é suficientemente resfriado pela restrição,então o resfriamento por ar forçado pode ser aplicado no exterior da restri-ção. Alternativamente, o óleo do reservatório pode ser circulado através deum trocador de calor dedicado de óleo/ar ou óleo/água para extrair mais ca-lor do óleo e também diminuir a temperatura do óleo antes de borrifá-lo so-bre os colares.

Adicionalmente, em algumas aplicações de volante de velocida-de muito alta, pode ser necessário usar óleo ao invés de graxa para Iubrificaros mancais. Nesses casos, o mesmo óleo usado para a transferência decalor com os colares de resfriamento pode ser usado para Iubrificar os man-cais. A quantidade de óleo requerido para Iubrificar os mancais é muito pe-quena. Portanto, ele pode ser entregue por um número de métodos incluindojatos, micro dosagem, escorrimento ou deixando uma pequena quantidadedo óleo saindo das pás do colar entrar no mancai.

Muitas outras implementações diferentes dessas descritas acimaestão dentro da invenção, que é definida pelas reivindicações seguintes.Como mencionado anteriormente, não é possível descrever aqui todas asimplementações possíveis da invenção, mas umas poucas possibilidadesnão mencionadas acima incluem o seguinte:

Implementações do primeiro aspecto da invenção podem incluirmúltiplos conjuntos de pá ou colar instalados em um único eixo para resfriarum número de componentes de geração de calor ou melhorar o resfriamentode um componente. Gases que têm maiores condutividades térmicas e calo-res específicos do que o ar (por exemplo, hélio e hidrogênio) podem ser u-sados para melhorar a transferência do calor no vácuo parcial e aplicaçõesfechadas. Os conjuntos de pá podem ser construídos de metais com boacondutividade térmica (tais como cobre e alumínio) ou plástico termicamentecondutor.

A condução gasosa e o resfriamento convectivo podem ser pro-vidos mantendo o vão entre o volante e seu invólucro muito pequeno, dessamaneira permitindo que o calor flua da borda do volante e/ou disco para oinvólucro mais frio. Essa disposição pode prover uma segunda trajetória detransferência de calor ou ela pode ser a trajetória de transferência de calorprincipal.

Implementações de resfriamento de líquido podem incluir múlti-pios conjuntos de pá ou colar instalados em um único eixo para resfriar umnúmero de componentes de geração de calor ou melhorar o resfriamento deum componente, Se óleo é usado como o fluido refrigerante, ele pode tam-bém ser usado para Iubrificar os mancais. Os conjuntos de pá podem serconstruídos de metais de boa condução térmica (tais como cobre e alumínio)ou plástico termicamente condutor. O fluido usado para o resfriamento pode-ria ser óleo, água ou um fluido de transferência de calor.

Ambos o primeiro e o segundo aspectos da invenção funciona-rão em um ambiente pressurizado, na pressão ambiente ou em um vácuoparcial.

Como usado nas reivindicações, quando um elemento é dito es-tar "preso em" um outro elemento esse inclui o caso de lá existir um ou maiselementos intermediários entre os elementos, bem como o caso no qual oselementos estão em contato direto.

Nem todos os aspectos descritos acima e que aparecem em al-gumas das reivindicações abaixo são necessários para a prática da inven-ção. Somente os aspectos recitados em uma reivindicação particular sãonecessários para a prática da invenção descrita nessa reivindicação. Aspec-tos foram intencionalmente deixados fora das reivindicações a fim de des-crever a invenção em uma amplitude consistente com a contribuição dosinventores. Por exemplo, embora em algumas implementações, pás interca-ladas sejam usadas para transferir calor, tais pás intercaladas não são ne-cessárias para a prática da invenção de outras reivindicações. Embora emalgumas implementações o refrigerante líquido seja circulado através daspás, o refrigerante líquido não é requerido para a prática da invenção de ou-tras reivindicações.

Claims (37)

1. Aparelho de resfriamento para transferir calor de e resfriar umou mais componentes de geração de calor que suportam ou acionam umvolante ou outro elemento de rotação, o aparelho compreendendo:um primeiro elemento de transferência de calor preso a e rodan-do com o elemento de rotação,um segundo elemento de transferência de calor estacionáriocom relação ao elemento de rotação,em que o primeiro e o segundo elementos de transferência decalor se movem em relação um ao outro, eem que o primeiro e o segundo elementos de transferência decalor são formados e posicionados em proximidade um do outro de modoque calor substancial é transferido do primeiro elemento de transferência decalor para o segundo elemento de transferência de calor.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que a transfe-rência de calor entre o primeiro e o segundo elementos de transferência decalor ocorre tanto por condução gasosa quanto por convecção.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que a transfe-rência de calor entre o primeiro e o segundo elementos de transferência decalor é primariamente pela condução gasosa.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que o primeiroe o segundo elementos de transferência de calor têm superfícies expostasestritamente espaçadas através das quais o calor é transferido.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 4, em queo primeiro elemento de transferência de calor compreende umapluralidade de primeiras pás,o segundo elemento de transferência de calor compreende umapluralidade de segundas pás,as primeiras pás se movem com relação às segundas pás,as primeiras pás se estendem para dentro de vãos entre as se-gundas pás, de modo que a primeira e a segunda pás são intercaladas, ecalor substancial é transferido das primeiras pás para as segun-das pás.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 5, em que a transfe-rência de calor entre o primeiro e o segundo elementos de transferência decalor é primariamente por condução gasosa.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em queum invólucro circunda o elemento de rotação,o primeiro elemento de transferência de calor compreende a su-perfície externa do elemento de rotação, eo segundo elemento de transferência de calor compreende asuperfície interna do invólucro espaçada por um pequeno vão do elementode rotação, de modo que calor substancial é transferido pela condução ga-sosa do elemento de rotação para o invólucro.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 5, em que a separa-ção entre as primeiras pás e as segundas pás é maior do que 0,025 mm,mas menor do que 10 mm.

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 5, em queo elemento de rotação é envolvido dentro de um invólucro con-tendo um gás em pressão abaixo da ambiente ou densidade abaixo da am-biente,o primeiro elemento de transferência de calor e as primeiras pásrodam em relação ao invólucro,o segundo elemento de transferência de calor e as segundaspás são fixados em relação ao invólucro, eo segundo elemento de transferência de calor é posicionado demodo que o calor pode ser prontamente transferido do segundo elemento detransferência de calor para o exterior do invólucro.

10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, em que a trans-ferência de calor entre o primeiro e o segundo elementos de transferência decalor é primariamente pela condução gasosa.

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, em que o gásestá tanto na pressão abaixo da ambiente quanto na densidade abaixo daambiente.

12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, em que a sepa-ração entre as primeiras pás e as segundas pás é maior do que 0,025 mm,mas menor do que 10 mm.

13. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, em que:o eixo geométrico de rotação ao redor do qual o elemento derotação roda define uma direção axial;as primeiras pás são elementos cilíndricos que se estendem emuma primeira direção axial de uma primeira base presa no elemento de rotação;as segundas pás são elementos cilíndricos que se estendem emuma segunda direção axial, oposta à primeira direção axial, a partir de umasegunda base presa no invólucro, eos vãos entre as segundas pás são canais cilíndricos formados eposicionados para receber as primeiras pás cilíndricas.

14. Aparelho, de acordo com a reivindicação 13, em que a trans-ferência de calor entre o primeiro e o segundo elementos de transferência decalor é primariamente pela condução gasosa.

15. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, em queo eixo geométrico de rotação ao redor do qual o elemento derotação roda define uma direção axial;a primeira e a segunda pás são elementos planares que se es-tendem em direções radiais perpendicularmente à direção axial, eos vãos entre as segundas pás são canais planares formados eposicionados para receber as primeiras pás planares.

16. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, em queo primeiro e o segundo elementos de transferência de calor fi-cam localizados adjacentes a um mancai que suporta o elemento de rota-ção;o mancai tem uma calha interna e uma calha externa;as primeiras pás e a calha interna são presas no elemento derotação, de modo que o calor flui pela condução da calha interna para asprimeiras pás e do elemento de rotação para as primeiras pás;a calha externa é presa no invólucro, ea calha interna, elemento de rotação, primeiras pás e segundaspás são dimensionados e posicionados de modo que o calor da calha internado mancai flui pela condução sólida da calha interna para o elemento de ro-tação e para as primeiras pás, pela condução sólida do elemento de rotaçãopara as primeiras pás e pela condução gasosa e convecção das primeiraspás para as segundas pás, e pela condução sólida das segundas pás para oexterior do invólucro.

17. Aparelho, de acordo com a reivindicação 16, em que a trans-ferência de calor entre o primeiro e o segundo elementos de transferência decalor é primariamente pela condução gasosa.

18. Aparelho, de acordo com a reivindicação 16, em que o apa-relho compreende pelo menos dois mancais, cada um com seu próprio pri-meiro e segundo elementos de transferência de calor como descrito.

19. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, em que o ele-mento de rotação é um volante e o volante e o invólucro são parte do estabi-lizador de rolo giroscópico para um barco.

20. Aparelho, de acordo com a reivindicação 19, em que a trans-ferência de calor entre o primeiro e o segundo elementos de transferência decalor é primariamente pela condução gasosa.

21. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, também com-preendendo um dissipador de calor no qual o calor flui das segundas pás.

22. Aparelho, de acordo com a reivindicação 21, em que o dissi-pador de calor compreende aletas resfriadas a ar no exterior do invólucro.

23. Aparelho, de acordo com a reivindicação 6, em que o gásentre o primeiro e o segundo elementos de transferência tem uma trajetórialivre média molecular igual à ou menor do que a distância entre os elemen-tos de transferência de calor.

24. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, compreendendouma pluralidade de conjuntos de primeira e segunda pás.

25. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, em que o gástem uma maior condutividade térmica do que o ar.

26. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que o com-ponente de geração de calor compreende um ou mais mancais.

27. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que o com-ponente de geração de calor compreende um ou mais motores elétricos.

28. Aparelho de resfriamento para transferir calor de e resfriarum ou mais componentes de geração de calor que suportam ou acionam umvolante ou outro elemento de rotação, o aparelho compreendendo:um conjunto de pás rotativas montadas para rodar com o ele-mento de rotação;um orifício configurado para direcionar um borrifo de líquido deresfriamento sobre as pás rotativas;em que o líquido de resfriamento é borrifado sobre as pás rotati-vas em uma localização radialmente para dentro, de modo que o líquido fluiradialmente para fora sobre a superfície das pás como uma película fina delíquido e é lançado para fora das pás pela ação centrífuga, eaparelho de coleta configurado para coletar o líquido lançadopara fora das pás.

29. Aparelho, de acordo com a reivindicação 28, também com-preendendo aparelho de resfriamento configurado para resfriar o líquido co-Ietado pelo aparelho de coleta, e em que o líquido resfriado é retornado parao orifício.

30. Aparelho, de acordo com a reivindicação 28, em que existeuma pluralidade de borrifos de líquido de resfriamento, cada um, uma cor-rente mais estreita do que o vão entre as pás rotativas e cada corrente é di-recionada de modo que ela geralmente percorre entre as pás para a locali-zação radialmente interior.

31. Aparelho, de acordo com a reivindicação 28, em que o líqui-do de resfriamento é um óleo.

32. Aparelho, de acordo com a reivindicação 28, em que:o elemento de rotação é envolvido dentro de um invólucro con-tendo um gás em pressão abaixo da ambiente ou densidade abaixo da am-biente;as pás rotativas rodam com o elemento de rotação dentro doinvólucro, eo orifício é fixado em relação ao invólucro.

33. Aparelho, de acordo com a reivindicação 32, em que o gásestá tanto na pressão abaixo da ambiente quanto na densidade abaixo daambiente.

34. Aparelho, de acordo com a reivindicação 32, em que a pres-são do vapor do líquido de resfriamento é menor do que a pressão de ope-ração do gás dentro do invólucro.

35. Aparelho, de acordo com a reivindicação 28, em que existeuma pluralidade de conjuntos de pás rotativas.

36. Aparelho, de acordo com a reivindicação 31, em que o óleousado para o resfriamento é também usado para lubrificação de pelo menosum mancai.

37. Aparelho, de acordo com a reivindicação 32, em que o ele-mento de rotação é um volante e o volante e o invólucro são parte de umestabilizador de agitação giroscópica para um barco.