ES2376801B1 - Intercambiador de calor para dispositivos generadores de calor provisto de aletas conductoras. - Google Patents

Intercambiador de calor para dispositivos generadores de calor provisto de aletas conductoras. Download PDF

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Abstract

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

Description

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

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Intercambiador de calor (1) para dispositivos generadores de calor, que comprende
    -
    un primer canal (2) sustancialmente plano de modo que se definen en el canal una dimensión (X) de circulación de un fluido refrigerante (F) y una dimensión transversal (Y) a la dimensión de circulación (X) y
    -
    una placa (3) conductora en contacto térmico por un lado (3a) con el dispositivo generador de calor y cuyo otro lado (3b) configura una de las superficies mayores del canal (2),
    caracterizado por el hecho de que comprende una pluralidad de aletas (5) conductoras de calor que emergen de la placa (3) hacia el interior del canal (2), estando distribuidas dichas aletas (5) según ambas dimensiones (X, Y) de modo que la densidad lineal de aletas (Aal) en la dimensión transversal (Y) es variable en la dimensión de circulación (X).
  2. 2.
    Intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1, que comprende una segunda placa (6) que configura la otra superficie mayor del canal (2).
  3. 3.
    Intercambiador de calor (1) según la reivindicación anterior, en el que las aletas (5) se extienden por el canal (2) entre ambas placas (3, 6).
  4. 4.
    Intercambiador de calor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la placa (3) es rectangular, las aberturas (I, S) del canal (2) son dos aberturas lineales (I, S) dispuestas en dos lados opuestos de la placa (3) y dichas dimensiones de circulación (x) y transversal (y) son cada una paralelas a los pares de lados de la placa (3) respectivamente.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 200930035
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 03.04.2009
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    Y
    US 2005121172 A1 (LOPATINSKY EDWARD) 09.06.2005, resumen; figuras; descripción (página 2, párrafos [22-24]). 1-17
    Y
    EP 0269065 A2 (IBM) 01.06.1988, todo el documento. 1-17
    A
    US 2007272392 A1 (GHOSH DEBASHIS et al.) 29.11.2007, todo el documento. 1,4-7,9,11,16
    A
    US 2008180914 A1 (KHANNA VIJAYESHWAR D et al.) 31.07.2008, todo el documento. 1,9,11,16
    A
    US 7215545 B1 (MOGHADDAM SAEED et al.) 08.05.2007, descripción (columna 5, líneas 66-67; columna 6, líneas 1,37-41). 12-15
    A
    US 6714415 B1 (SHAH KETAN R) 30.03.2004, descripción (columna 3, líneas 16-17). 13
    A
    US 6422307 B1 (BHATTI MOHINDER SINGH et al.) 23.07.2002, descripción (columna 1, líneas 24-30). 12-15
    A
    US 2008066888 A1 (TONG WEI et al.) 20.03.2008, resumen; figura 3. 10
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 05.03.2012
    Examinador M. P. Prytz González Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 200930035
    CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD H01L23/42 (2006.01)
    H01L23/473 (2006.01) F28F3/04 (2006.01) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) H01L, F28F Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 200930035
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 05.03.2012
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Reivindicaciones 1-17 SI Reivindicaciones NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Reivindicaciones SI Reivindicaciones 1-17 NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 200930035
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    US 2005121172 A1 (LOPATINSKY EDWARD) 09.06.2005
    D02
    EP 0269065 A2 (IBM) 01.06.1988
    D03
    US 2007272392 A1 (GHOSH DEBASHIS et al.) 29.11.2007
    D04
    US 2008180914 A1 (KHANNA VIJAYESHWAR D et al.) 31.07.2008
    D05
    US 7215545 B1 (MOGHADDAM SAEED et al.) 08.05.2007
    D06
    US 6714415 B1 (SHAH KETAN R) 30.03.2004
    D07
    US 6422307 B1 (BHATTI MOHINDER SINGH et al.) 23.07.2002
    D08
    US 2008066888 A1 (TONG WEI et al.) 20.03.2008
  5. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    La solicitud hace referencia a un intercambiador de calor para dispositivos generadores de calor, preferentemente, componentes electrónicos y placas fotovoltaicas. Consta la solicitud de 17 reivindicaciones, siendo independientes las reivindicaciones 1 y 16. Las reivindicaciones 2 a 15 son dependientes de la reivindicación 1, de forma directa o indirecta, y la reivindicación 17 es dependiente de la reivindicación 16.
    En la reivindicación primera, independiente, se describe un intercambiador de calor para dispositivos generadores de calor que posee un primer canal sustancialmente plano y una placa conductora en contacto por un lado con el dispositivo generador de calor y configurando el otro lado una de las superficies mayores del canal. En dicho canal se definen dos direcciones transversales (X, Y) coincidiendo una de ellas con la de circulación del fluido. El dispositivo consta también de una pluralidad de aletas conductoras que emergen de la placa hacia el canal,
    Los documentos D01 a D08 se consideran una representación del estado de la técnica al que pertenece la invención, siendo el documento D01 el más próximo al objeto reivindicado. El documento D01 posee todas las características técnicas de la reivindicación 1, pero se diferencia de él en que la distribución de aletas es uniforme en toda la superficie de la placa.
    El empleo de una distribución variable de aletas en la dirección de circulación del fluido permite obtener perfiles de temperatura variados en el dispositivo generador de calor (según descripción de la solicitud, página 3, líneas 1 a 5). Sin embargo, dicha característica ya ha sido empleada para un fin similar en el documento D02 (resumen, figura 5 y descripción columna 8, líneas 43 a 53). Resultaría obvio para el experto en la materia, sobre todo cuando se va a resolver el mismo problema técnico, aplicar las características del documento D02 al documento D01 de modo que se obtenga el objeto de la reivindicación 1. Por tanto, la invención reivindicada en la reivindicación 1 no implica actividad inventiva.
    Por otra parte, las características técnicas añadidas en las reivindicaciones 2, 3 ,16 y 17 quedan anticipadas por el documento D01.
    La característica técnica aportada por la reivindicación 4 queda anticipada en el documento D02, al considerarse que el hecho de que las aberturas (I, S) sean lineales es una mera opción de diseño que no implica actividad inventiva.
    La reivindicación 5 se considera que no implica actividad inventiva al ser una mera yuxtaposición de dos intercambiadores como el de la reivindicación 1, además de constituir una técnica ya conocida, como se comprueba en el documento D03, y por tanto obvia para un experto en la materia.
    Las reivindicaciones 6 y 7 tampoco se considera que requieran ningún esfuerzo inventivo por parte del experto en la materia para su ejecución, especialmente teniendo en cuenta que el documento D02 ya divulga el empleo de deflectores para la canalización de un fluido.
    El objeto de la reivindicación 8 fue divulgado con anterioridad en el documento D02. La característica de la reivindicación 9 es una variante de diseño ampliamente conocida en el sector de la técnica, al igual que ocurre con la característica técnica de la reivindicación 11, una muestra es el documento D04, que recoge ambas posibilidades.
    La forma de “gota de agua” de las aletas de la reivindicación 10 también es conocida en el estado de la técnica (véase documento D08) por lo que no implica actividad inventiva.
    Finalmente, las reivindicaciones 12 a 15 divulgan unos rangos de tamaños de aletas. Dichos tamaños no se considera que impliquen actividad inventiva al encontrarse dentro de los rangos esperados y comúnmente utilizados para tal fin en el campo técnico de la invención. Un ejemplo son los documentos D05, D06 o D07.
    Por todo lo anterior, se concluye que el objeto reivindicado en las reivindicaciones 1 a 17 de la presente solicitud internacional es nuevo pero no implica actividad inventiva, todo ello en el sentido de los Artículos 6 y 8 de la Ley 11/1986 de Patentes.
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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