ES2638169T3

ES2638169T3 - Refrigeración de cojinetes, motores y otros componentes giratorios generadores de calor

Info

Publication number: ES2638169T3
Application number: ES07756280.9T
Authority: ES
Inventors: John D. Adams; Shepard W. Mckenney
Original assignee: Seakeeper Inc
Current assignee: Seakeeper Inc
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2007-01-04
Publication date: 2017-10-19
Anticipated expiration: 2027-01-04
Also published as: CN101443987A; DK1979708T3; PL1979708T3; AU2007214984A1; US8117930B2; PT1979708T; EP1979708A4; EP1979708A2; US20070157749A1; US7546782B2; WO2007095403A3; AU2007214984B2; BRPI0707129B1; WO2007095403A2; EP1979708B1; BRPI0707129A2; US20090301373A1; CN101443987B

Abstract

Aparato que comprende: un miembro giratorio; uno o más componentes generadores de calor que incluyen un cojinete que soporta el miembro giratorio; un aparato de refrigeración configurado para transferir calor desde y refrigerar los uno o más componentes generadores de calor; comprendiendo además el aparato: una caja (14) que encierra el miembro giratorio (12) en un vacío parcial mantenido por la caja; un primer elemento de transferencia de calor que comprende una primera pluralidad de paletas (66) dentro de la caja y unidas al miembro giratorio (12) de tal manera que la primera pluralidad de paletas girarán con el miembro giratorio en relación a la caja; un segundo elemento de transferencia de calor que comprende una segunda pluralidad de paletas (62) dentro de la caja fijada con relación a la caja (14) de tal manera que las primeras paletas se mueven con respecto a las segundas paletas, definiendo las segundas paletas (62) unos huecos (64) en los que se extienden las primeras paletas (66) de tal manera que las primeras y las segundas paletas estén intercaladas, y en el que las primeras y las segundas paletas (66, 62) están situadas adyacentes al cojinete (18, 20) que soporta el 20 miembro giratorio (12), el cojinete (18, 20) tiene una pista interior (30, 32) y una pista exterior (26, 28), las primeras paletas (66) y la pista interior (30, 32) están unidas al miembro giratorio (12) de tal manera que el calor fluye por conducción desde la pista interior (30, 32) a las primeras paletas (66) y desde el miembro giratorio (12) a las primeras paletas (66), la pista exterior (30, 28) está unida a la caja (14), y la pista interior (30, 32), el miembro giratorio (12), las primeras paletas (66) y las segundas paletas (62) están dimensionados y dispuestos de tal manera que el calor de la pista interior del cojinete fluye por conducción sólida desde la pista interior (30, 32) al miembro giratorio (12) y a las primeras paletas (66), por conducción sólida desde el miembro giratorio a las primeras paletas, y principalmente por conducción gaseosa desde las primeras paletas (66) a las segundas paletas (62), y por conducción sólida desde las segundas paletas (62) al exterior de la caja (14).

Description

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DESCRIPCION

Refrigeracion de cojinetes, motores y otros componentes giratorios generadores de calor Campo tecnico

Esta invencion se refiere a metodos y aparatos para refrigerar cojinetes, motores y otros componentes generadores de calor que soportan y accionan maquinas giratorias, por ejemplo, un volante de inercia que se encierra en un vacfo parcial.

Antecedentes

Un giroscopio de control de momento ("CMG") usado para la atenuacion de rodamiento en barcos depende de un volante de inercia pesado que opera a altas velocidades de rotacion. El volante de inercia giratorio esta soportado por unos cojinetes que estan sometidos a elevadas cargas axiales y radiales. Como resultado, estos cojinetes producen una cantidad sustancial de calor generado por friccion, que debe disiparse con el fin de evitar una acumulacion peligrosa de calor. Si el volante de inercia esta soportado en un entorno de ambiente convencional, el calor puede disiparse por conveccion de aire, que puede realizarse teniendo un ventilador que sopla aire a traves de las pistas de cojinete exterior e interior y de los miembros metalicos adyacentes. Pero si el volante de inercia esta encerrado en un vacfo parcial, por ejemplo, tal como se ha descrito en la patente de Estados Unidos 6.973.847, puede que no haya suficiente aire para permitir la conveccion. El mismo problema de refrigeracion puede existir en otros dispositivos en los que los volantes de inercia giran en cajas parcialmente evacuadas (por ejemplo, los dispositivos de almacenamiento de energfa mecanica) y en los procesos de fabricacion que usan camaras evacuadas que contienen elementos de giro que requieren cojinetes generadores de calor. En la actualidad, los dispositivos de almacenamiento de energfa de volante de inercia usan normalmente cojinetes magneticos caros (que no generan calor de friccion) en lugar de cojinetes de elementos rodantes mucho menos costosos. Una razon es que no hay metodos probados para eliminar el calor de las pistas interiores de los cojinetes de elementos rodantes en un vacfo parcial, excepto chorreando o haciendo circular aceite refrigerante a traves de los cojinetes, y esto tiende a crear grandes perdidas de potencia.

Hay dos tipos de flujo de calor - conduccion y conveccion - que deben distinguirse. La conduccion de calor ocurre por moleculas chocando con otras moleculas. Por lo tanto, cuando se coloca una mano en un radiador caliente, las moleculas de movimiento rapido en el metal caliente chocan contra las moleculas de la piel, transfiriendo energfa a las mismas. La conveccion de calor ocurre cuando las moleculas se mueven como consecuencia del aire (u otro gas o lfquido) que fluye de un lugar a otro. Por lo tanto, el radiador caliente calienta una habitacion por conduccion del calor al aire inmediatamente adyacente a la superficie del radiador, y a continuacion por conveccion a medida que el aire caliente fluye alrededor de la habitacion. La calidez en el aire se transfiere a los ocupantes de la habitacion por conduccion, cuando las moleculas en el aire caliente hacen contacto con la piel o la ropa de la persona. La conduccion de calor puede ocurrir a traves de un gas, un lfquido o un solido. Cuando se produce a traves de un gas, puede llamarse conduccion gaseosa. Cuando ocurre a traves de un solido (por ejemplo, a traves de un metal u otro buen conductor del calor), puede llamarse conduccion solida.

La ley de Fourier de la conduccion de calor define una transferencia de calor dimensional entre dos superficies paralelas por conduccion gaseosa:

Q = KA AT/AX

Donde Q = transferencia de calor (vatios)

K = conductividad termica del gas (vatios/m - °C)

A = area de la superficie paralela (m2)

AT = diferencial de temperatura entre las dos superficies de transferencia de calor (°C)

AX = distancia entre las superficies de transferencia de calor (m)

Como se muestra en la ecuacion, la cantidad de calor transferida es directamente proporcional a la conductividad termica del gas, el area de las superficies, y la diferencia de temperatura entre las superficies, y es inversamente proporcional a la distancia entre las superficies. La conductividad termica del gas (K) es constante independientemente de la presion hasta que la presion sea tan baja que el camino libre medio molecular del gas sea igual a o mayor que la distancia entre las superficies (AX). Esto significa que la cantidad de calor transferida sera independiente de la presion hasta que el camino libre medio del gas sea igual a o mayor que la distancia entre las superficies. Por debajo de la presion donde el camino libre medio molecular del gas es mayor que la distancia entre las superficies, las moleculas de gas continuaran conduciendo calor, pero ahora hay una reduccion en la conductividad termica (y en la cantidad de calor transferida) con reducciones adicionales en la presion del gas.

El documento DE 19909491A1 describe un dispositivo de refrigeracion para un arbol montado de manera giratoria dentro de una carcasa en la que no se requiere un sellado especial del arbol. Unas primeras aletas de refrigeracion en forma de discos anulares planos estan provistas en la superficie exterior de un manguito en contacto con el arbol.

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Unas segundas aletas de refrigeracion en forma de discos anulares pianos estan provistas en el orificio de un manguito en contacto con un disipador de calor exterior. Las primeras aletas sobresalen de los huecos entre las segundas aletas. La transferencia de calor se efectua mediante radiacion y transferencia de calor por el gas presente entre las aletas primera y segunda. El documento EP 1193837 describe un alternador para un vehfculo que tiene unos discos giratorios sobre el rotor y unos discos estacionarios opuestos sobre las superficies interiores de un soporte frontal y un soporte trasero. Los discos estacionarios se engranan con unos discos giratorios con huecos de aire entre los mismos para la transferencia de calor. Se proporcionan unos salientes sobre las superficies de transferencia de calor de los discos estacionarios para generar un flujo de aire turbulento en los espacios definidos entre los discos giratorios y los discos estacionarios. El documento US 2004/0244513 describe un estabilizador de balanceo giroscopico para una embarcacion, que tiene un volante de inercia, un motor de accionamiento del volante de inercia configurado para hacer girar el volante de inercia alrededor de un eje de giro y una caja que rodea una parte o la totalidad del volante de inercia y que mantiene una presion por debajo de la del ambiente o que contiene un gas de densidad por debajo de la del ambiente. El documento US 2005/0040776 describe un sistema de almacenamiento de energfa de volante de inercia que incluye una caja de vacfo que tiene un volante de inercia, un motor/generador y un eje encerrado en su interior. Una tuberfa de calor en la parte de arbol del aparato proporciona refrigeracion para el alto calor generado por el motor/generador y los cojinetes. El sistema de almacenamiento de energfa de volante de inercia incluye un conjunto de cojinete que facilita la rotacion del arbol, el volante de inercia y el rotor del motor/generador alrededor de un eje. Un conjunto de cojinete incluye un anillo interior, un anillo exterior y una pluralidad de bolas de cojinete. El buje de volante de inercia esta conectado a un arbol giratorio que tiene unas aletas de refrigeracion que se extienden radialmente desde el arbol. Las aletas de refrigeracion encajan dentro de un conjunto de tipo concha de almeja dividido de aletas de transferencia de calor estacionarias, que se extienden desde el interior de la caja de vacfo, de tal manera que puede lograrse una refrigeracion natural y autonoma del sistema de almacenamiento de energfa de volante de inercia completo.

Sumario

Se han descubierto tecnicas practicas para transferir calor fuera de los componentes generadores de calor, por ejemplo, cojinetes y motores, que soportan y accionan maquinarias giratorias tal como unos volantes de inercia. Normalmente, el calor se acumulara en las pistas interiores de los cojinetes que soportan el volante de inercia (pero tambien son posibles otras fuentes de calor, tales como calor del motor, arrastre o ventilacion de aire). Tal acumulacion de calor en las pistas interiores puede conducir al fallo del aparato, ya que puede producirse un gran diferencial de temperatura entre las pistas de cojinete interiores y exteriores. Las pistas exteriores normalmente permanecen mas frfas debido a que el calor puede fluir (por conduccion a traves de los miembros metalicos adyacentes) desde las pistas exteriores al exterior de la caja, donde el calor se disipa por conveccion (el aire que pasa a traves de la superficie exterior caliente). Solo una pequena cantidad de calor se conduce a traves de los cojinetes (desde las pistas interiores a las exteriores), y por lo tanto las pistas interiores y el volante de inercia al que estan unidas tienden a elevar la temperatura. El aumento de la temperatura puede destruir la eficacia del lubricante de cojinetes y tambien puede someter a la pista interior a expansiones termicas no vistas por la pista exterior mas frfa con la consecuente destruccion catastrofica de los cojinetes y los aparatos.

Las tecnicas de refrigeracion conocidas incluyen la inmersion de los cojinetes en un bano de aceite en circulacion o el chorreo de aceite a traves de los cojinetes (como en un motor de turbina de gas) o el bombeo de un gran volumen de rocfo de aceite/aire a traves de los cojinetes (como en los husillos de maquinas herramienta) para lubricar y refrigerar los mismos. Sin embargo, estos metodos son complicados y tienden a aumentar el calor generado por el cojinete cuando la resistencia viscosa de los elementos de rodadura que se agitan a traves del aceite aumenta sustancialmente la potencia necesaria para accionar el volante de inercia u otro miembro giratorio. El metodo de rocfo de aceite/aire no puede aplicarse a aplicaciones de vacfo, ya que requiere un flujo de aire sustancial. Algunos fabricantes de maquinas herramienta bombean el agua por un agujero que se perfora a traves del arbol del husillo para eliminar el calor de los cojinetes y del motor. Esto tambien es diffcil de aplicar a aplicaciones de vacfo ya que el agua debe mantenerse a presion ambiente para evitar que se vaporice.

La invencion comprende un aparato como se define en la reivindicacion 1. La presente divulgacion describe un aparato para transferir calor desde y refrigerar uno o mas componentes generadores de calor que soportan o accionan un volante de inercia u otro miembro giratorio. El aparato comprende un primer elemento de transferencia de calor unido a y que gira con el miembro giratorio, un segundo elemento de transferencia de calor estacionario con respecto al miembro giratorio, en el que los elementos de transferencia de calor primero y segundo se mueven uno con relacion al otro y en el que los elementos de transferencia de calor primero y segundo estan conformados y colocados muy proximos entre sf de tal manera que se transfiere un calor sustancial desde el primer elemento de transferencia de calor al segundo elemento de transferencia de calor. La proximidad de las dos superficies o elementos favorece la transferencia de calor principalmente por conduccion gaseosa. El movimiento de rotacion relativo y la proximidad de los elementos pueden crear unos flujos de cavidad giratorios que promueven la transferencia de calor por conveccion gaseosa. En estos flujos giratorios circulan continuamente moleculas de aire desde el primer elemento mas caliente hasta el segundo elemento mas frfo.

Otras caracterfsticas descritas en esta divulgacion incluyen las siguientes. La transferencia de calor entre los elementos de transferencia de calor primero y segundo puede ocurrir tanto por conduccion gaseosa como por

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conveccion, aunque principalmente por conduccion gaseosa. Los elementos de transferencia de calor primero y segundo pueden tener superficies expuestas estrechamente separadas a traves de las que se transfiere el calor. El primer elemento de transferencia de calor comprende una pluralidad de primeras paletas, el segundo elemento de transferencia de calor comprende una pluralidad de segundas paletas, las primeras paletas se mueven con respecto a las segundas paletas, las primeras paletas se extienden en los huecos entre las segundas paletas de tal manera que las primeras y segundas paletas estan intercaladas y puede transferirse un calor sustancial desde las primeras paletas a las segundas paletas. Una caja rodea al miembro giratorio, el primer elemento de transferencia de calor puede comprender la superficie exterior del elemento giratorio y el segundo elemento de transferencia de calor puede comprender la superficie interior de la caja separada por un pequeno hueco desde el miembro giratorio de tal manera que se transfiere un calor sustancial por conduccion gaseosa desde el elemento giratorio a la caja. La separacion entre las primeras paletas y las segundas paletas puede ser mayor de 0,025 mm pero menor de 10 mm. El miembro giratorio esta encerrado dentro de una caja que contiene un gas a una presion por debajo de la del ambiente o una densidad por debajo de la del ambiente, el primer elemento de transferencia de calor y las primeras paletas giran con relacion a la caja, el segundo elemento de transferencia de calor y las segundas paletas estan fijas con relacion a la caja, y el segundo elemento de transferencia de calor esta colocado de tal manera que el calor puede transferirse facilmente desde el segundo elemento de transferencia de calor al exterior de la caja. El gas puede estar tanto por debajo de la presion ambiente como por debajo de la densidad ambiente. El eje de rotacion alrededor del que gira el miembro giratorio puede definir una direccion axial, las primeras paletas pueden ser elementos cilfndricos que se extienden en una primera direccion axial desde una primera base unida al miembro giratorio, las segundas paletas pueden ser elementos cilfndricos que se extienden en una segunda direccion opuesta a la primera direccion axial, desde una segunda base unida a la caja, y los huecos entre las segundas paletas pueden ser canales cilfndricos conformados y colocados para recibir las primeras paletas cilfndricas. El eje de rotacion alrededor del que gira el miembro giratorio puede definir una direccion axial, las primeras y segundas paletas pueden ser elementos planos que se extienden en direcciones radiales perpendicularmente a la direccion axial, y los huecos entre las segundas paletas pueden ser canales planos conformados y colocados para recibir las primeras paletas planas. Los elementos de transferencia de calor primero y segundo estan situados adyacentes a un cojinete que soporta el miembro giratorio, teniendo el cojinete una pista interior y una pista exterior, las primeras paletas y la pista interior estan unidas al miembro giratorio de tal manera que el calor fluye por conduccion desde la pista interior a las primeras paletas y desde el miembro giratorio a las primeras paletas, la pista exterior esta unida a la caja y la pista interior, el miembro giratorio, las primeras paletas y las segundas paletas estan dimensionadas y colocadas de tal manera que el calor procedente de la pista interior del cojinete fluye por conduccion solida desde la pista interior al miembro giratorio y a las primeras paletas, por conduccion solida desde el miembro giratorio a las primeras paletas, y principalmente por conduccion gaseosa desde las primeras paletas a las segundas paletas, y por conduccion solida desde las segundas paletas al exterior de la caja. El aparato puede al menos comprender dos cojinetes, cada uno con sus propios elementos de transferencia de calor primero y segundo como se ha descrito. El elemento giratorio puede ser un volante de inercia y el volante de inercia y la caja pueden ser parte del estabilizador de balanceo giroscopico para una embarcacion. La invencion puede comprender ademas un disipador de calor al que el calor fluye desde las segundas paletas. El disipador de calor puede comprender unas aletas refrigeradas por aire en el exterior de la caja. El gas entre los elementos de transferencia primero y segundo puede tener un camino libre medio molecular igual o menor que la distancia entre los elementos de transferencia de calor. La invencion puede comprender ademas una pluralidad de conjuntos de primeras y segundas paletas. El gas puede tener una conductividad termica mas alta que el aire. El componente generador de calor puede comprender uno o mas cojinetes. El componente generador de calor puede comprender uno o mas motores electricos.

El hueco entre las paletas giratorias mas calientes y las paletas giratorias mas frfas puede mantenerse muy pequeno, y por lo tanto proporcionar una ruta de calor al exterior del dispositivo, siempre y cuando las paletas giratorias estan mas calientes que las paletas estacionarias. El calor puede conducirse desde los componentes generadores de calor a las paletas giratorias por conduccion solida, a continuacion, a traves del entrehierro a las paletas estacionarias por conduccion y conveccion gaseosas y a continuacion por conduccion y conveccion a la atmosfera o a un disipador de calor.

Al menos algunas de las disposiciones descritas en la presente divulgacion tienen unas ventajas significativas por debajo de la presion ambiente, en las que la refrigeracion convectiva con aire se hace mas diffcil debido a la presion reducida, y la transferencia de calor radiante puede ser insignificante debido a que los diferenciales de temperatura pueden no ser suficientemente grandes para transferir una cantidad significativa de calor. La dependencia de la conduccion gaseosa se beneficia del hecho de que la conductividad termica de un gas aumenta con la temperatura, de tal manera que a medida que el gas se calienta, conducira mas calor a traves del hueco (para un diferencial de temperatura fijo) entre las paletas giratorias y estacionarias. Esto ayuda a estabilizar el comportamiento termico.

Los flujos de cavidad giratorios existiran en los pequenos huecos entre las paletas fijas y giratorias incluso en un vacfo parcial. En algunas aplicaciones, la densidad del gas y/o la velocidad de rotacion seran suficientemente altas para que la conveccion gaseosa aumente la refrigeracion por conduccion gaseosa. El flujo giratorio hace circular las moleculas de gas de tal manera que se transportan continuamente desde las paletas giratorias calientes a las paletas estacionarias mas frfas.

El primer aspecto permite que el calor se retire de manera pasiva sin que circule cualquier fluido dentro de la caja.

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Esto simplifica considerablemente el dispositivo o la maquina, ya que no se requiere una bomba de refrigerante, un motor, un filtro y un intercambiador de calor. Pueden usarse cojinetes lubricados con grasa y estos tendran menos par de friccion que los cojinetes lubricados con aceite.

El aparato descrito supera el problema de refrigeracion de los componentes giratorios generadores de calor y estan encerrados en un vacfo parcial. Esto permite el desarrollo de los giroscopios de control de momento (CMG) para estabilizar pequenas embarcaciones y el desarrollo de los dispositivos de almacenamiento de energfa de volante de inercia que usan cojinetes de elementos giratorios, ya que ahora hay una forma de eliminar el calor de estos componentes giratorios que no aumenta los requisitos de potencia de funcionamiento. El aparato descrito puede ayudar a refrigerar las pistas interiores de los cojinetes, los motores y otros componentes giratorios generadores de calor que funcionan en espacios confinados a presion ambiente o por encima de la presion ambiente (por ejemplo, unos husillos de maquinas herramienta).

Otras caracterfsticas y ventajas de la invencion tal como se define en las reivindicaciones se encontraran en la descripcion detallada, los dibujos y las reivindicaciones.

Descripcion de dibujos

La figura 1 es una vista en seccion transversal de un CMG de estabilidad de embarcacion que incorpora una implementacion del primer aspecto de la invencion.

La figura 2 es una ampliacion de la parte de cojinete superior 2-2 de la figura 1.

La figura 3 es una ampliacion de la parte de cojinete inferior 3-3 de la figura 1.

La figura 4 es una vista en seccion transversal (tomada a lo largo de 4-4 en la figura 5) a traves del elemento de transferencia de calor exterior de la implementacion de la figura 1.

La figura 5 es una vista en planta (tomada a lo largo de 5-5 en la figura 4) mirando hacia arriba las paletas del elemento de transferencia de calor de la figura 4.

La figura 6 es una vista en alzado del elemento de transferencia de calor de la figura 4.

La figura 7 es una vista en planta (tomada a lo largo de 7-7 en la figura 6) mirando hacia abajo la superficie superior del elemento de transferencia de calor de la figura 4.

La figura 8 es una vista en seccion transversal (tomada a lo largo de 8-8 en la figura 9) a traves del elemento de transferencia de calor interior de la implementacion de la figura 1.

La figura 9 es una vista en planta (tomada a lo largo de 9-9 en la figura 8) mirando hacia abajo en la superficie superior del elemento de transferencia de calor interior de la figura 8.

La figura 10 es una vista en seccion transversal de un CMG de estabilidad de embarcacion que incorpora refrigeracion lfquida.

La figura 11 es una ampliacion de la parte de cojinete superior 11-11 de la figura 10.

La figura 12 es una ampliacion de la parte de cojinete superior 12-12 de la figura 10

La figura 13 es una vista en alzado del conjunto de paletas giratorias de la implementacion de la figura 10.

La figura 14 es una vista en seccion transversal del conjunto de paletas giratorias de la figura 13.

Descripcion detallada

Existe un gran numero de implementaciones posibles de la invencion, demasiadas para describirlas en el presente documento. A continuacion, se describen algunas posibles implementaciones que se prefieren actualmente. Sin embargo, no se puede enfatizar demasiado fuertemente, que estas sean descripciones de implementaciones de la invencion, y no descripciones de la invencion, que no se limita a las implementaciones detalladas descritas en esta seccion, sino que se describe en terminos mas amplios en las reivindicaciones.

En la figura 1, se muestra un estabilizador de balanceo giroscopico 10 para pequenas embarcaciones (del tipo descrito en la patente de Estados Unidos N.° 6.973.847, incorporada en el presente documento como referencia). Un volante de inercia de acero 12 gira dentro de una caja de aluminio 14, que se evacua a una presion inferior a la de ambiente, y puede incluir un gas de densidad inferior a la del ambiente (por ejemplo, helio o hidrogeno) para reducir la friccion en el volante de inercia giratorio. Un motor electrico (sin bastidor de cC sin escobillas) 16 integrado en el interior de la caja acciona el volante de inercia, que esta soportado por un conjunto de cojinete superior 18 y un conjunto de cojinete inferior 20.

Como se muestra en las ampliaciones de las figuras 2-3, cada conjunto de cojinete incluye una carcasa exterior 22, 24, una pista exterior 26, 28, una pista interior 30, 32 y unas bolas 34. Unos sellos 36 se proporcionan tanto en la parte superior como inferior de cada cojinete. Los retenes superior e inferior 40, 42 mantienen el cojinete superior en su sitio. Estos cojinetes estan lubricados por un paquete de grasa.

El calor generado por las pistas interiores de cojinete y el rotor del motor electrico se transfiere al exterior mediante unos conjuntos de collarfn de refrigeracion 50, 52 (una de muchas implementaciones de los elementos de transferencia de calor) situados adyacentes a cada cojinete. Cada conjunto de collarfn de refrigeracion incluye un collarfn giratorio interior 54, 56 y un collarfn estacionario exterior 58, 60 que forma tambien la tapa de extremo de la caja. Los collarines 54, 56, 58, 60 pueden construirse de varios materiales con una buena conductividad termica (por

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ejemplo, aluminio, cobre o plastico).

Como se muestra en las figuras 4-5, los collarines exteriores 58, 60 tienen diez paletas cilfndricas 62, cada una de un radio diferente. Se forman huecos cilfndricos 64 entre las paletas. Las paletas tienen aproximadamente 2,77 mm de espesor radial y la separacion radial entre paletas (es decir, la anchura radial de los huecos) es aproximadamente de 4,78 mm. Las paletas 62 tienen una longitud de aproximadamente 32 mm a lo largo de la direccion axial.

Los collarines interiores 54, 56 tienen once paletas cilfndricas 66 y huecos cilfndricos 68 entre las paletas (figuras 23), cada una de un radio diferente, y dimensionas y colocadas de tal manera que las paletas 66 se acoplan con las paletas 62 de los collarines exteriores de acoplamiento. Las paletas 66 tienen aproximadamente la misma longitud (32 mm), anchura y espesor radial que las paletas (62), y se reciben en los huecos (64) entre las paletas (62).

Despues se acoplan los collarines interior y exterior, con unas paletas intercaladas, la separacion radial entre una paleta giratoria de un collarfn y una paleta estacionaria de otro es de aproximadamente 1 mm. Para mejorar la transferencia de calor por conduccion gaseosa, esta separacion puede hacerse lo mas pequena posible sujeta a limitaciones practicas tales como las tolerancias de mecanizado y de funcionamiento. En aplicaciones de vacfo parcial, la separacion no es normalmente menor que el camino libre medio de las moleculas de gas a la presion de funcionamiento. Esta pequena separacion garantiza que la conductividad termica del gas no se reduce por la presion de vacfo y ayuda en la transferencia de calor por conveccion gaseosa.

En una implementacion, la presion de funcionamiento es de 1 Torr, la temperatura de funcionamiento es de 100 °C, y el camino libre medio molecular del aire es 0,066 mm, que es significativamente menor que la separacion radial de 1 mm. En la practica, la distancia puede variar de estas pautas generales siempre y cuando el calor substancial se transfiera a traves de la separacion.

Como se muestra en las figuras 6-7, las superficies exteriores de los collarines exteriores 58, 60 tienen paletas de transferencia de calor adicionales 70, que transfieren el calor desde el collarfn a la atmosfera circundante (por conduccion en la superficie de las paletas, con conveccion moviendo el aire mas alla de las paletas).

En la implementacion mostrada, las paletas giratoria y estacionaria 66, 62 tienen cada una de las mismas un area de superficie total de 0,34 metros cuadrados. Un diferencial de temperatura tfpico entre las paletas giratoria y estacionaria es de 15 °C, y la conduccion de aire por sf sola transferira 153 vatios a traves del hueco para refrigerar la pista interior del cojinete en este diferencial. Si es necesario proporcionar mas refrigeracion, las paletas estacionarias podrfan refrigerarse activamente soplando aire sobre las mismas (fuera del confinamiento) para crear un mayor diferencial de temperatura entre las paletas giratorias y estacionarias. Un diferencial de temperatura de 30 °C transferirfa 306 vatios mediante solo la conduccion gaseosa. Como alternativa, la cantidad de transferencia de calor podrfa aumentarse rellenando de nuevo la camara de vacfo con helio o hidrogeno despues del bombeo inicial. La conductividad termica del helio es aproximadamente 5,6 veces la del aire, por lo que un diferencial de temperatura de 15 °C transferirfa 855 vatios de calor mediante solo la conduccion gaseosa. Si se necesitan aumentos adicionales en la transferencia de calor, la separacion radial entre las paletas fija y giratoria podrfa reducirse de 1 mm a 0,5 mm. Normalmente es factible funcionar con esa pequena separacion radial, ya que las maquinas como los CMG y los dispositivos de almacenamiento de energfa de volante de inercia se fabrican normalmente para tolerancias muy ajustadas (menos de 0,025 mm normalmente) y sus volantes de inercia estan soportados en cojinetes de elementos giratorios de muy alta precision. Si el volante de inercia esta encerrado en helio a 1 Torr, la separacion radial es de 0,5 mm y el diferencial de temperatura es de 15 °C, entonces pueden transferirse 1710 vatios de calor desde las pistas interiores del cojinete mediante solo la conduccion gaseosa. Tambien es posible ajustar la cantidad de calor transferido aumentando o disminuyendo el area superficial de las paletas.

Estos ejemplos muestran como el metodo y el aparato de refrigeracion pueden ajustarse para proporcionar la cantidad de refrigeracion que los componentes generadores de calor necesitan con el fin de alcanzar unas temperaturas de funcionamiento estables. El disenador puede variar el area de la paleta, la separacion radial, el tipo de gas, la densidad del gas y la diferencia de temperatura entre las paletas giratorias y estacionarias para obtener la solucion optima para una aplicacion especffica.

Las figuras 10-14 muestran una implementacion del esquema de refrigeracion lfquida que no forma parte de la invencion. La implementacion de refrigeracion lfquida tambien depende de los collarines de refrigeracion en el arbol giratorio adyacente a la fuente primaria de calor, es decir, la pista interior de los cojinetes del volante de inercia. Sin embargo, con la refrigeracion lfquida, las aletas de los collarines consisten en discos planos separados que se extienden radialmente hacia fuera del arbol, y no hay aletas fijas de acoplamiento unidas al confinamiento del volante de inercia. Por el contrario, la refrigeracion se realiza mediante chorros de aceite colocados en el confinamiento exterior de los discos que rocfan una corriente de aceite entre los discos giratorios y hacia el centro del arbol del volante de inercia, conduciendo de este modo el calor de los discos al aceite, que luego se lanza mediante una fuerza centrffuga hacia fuera para recogerse por un revestimiento interior dentro del confinamiento, pero fuera del perfmetro del volante de inercia. Esto, a su vez, obliga al aceite caliente a seguir la curvatura interior del confinamiento en su ruta gravitacional descendente, donde transfiere el calor al confinamiento, ayudado por unos

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rebordes interiores en el confinamiento que aumentan el area de superficie en contacto con el aceite. El aceite se recoge en un sumidero en la parte inferior del dispositivo, donde se bombea de nuevo a los chorros de aceite, completando el ciclo de refrigeracion.

Volviendo a la figura 10, el calor generado por las pistas interiores del cojinete y el rotor del motor electrico se transfiere a los conjuntos de collarfn de refrigeracion superior e inferior 71, 72 situados adyacentes a las pistas interiores de cojinete superior e inferior 73, 74. En el caso del cojinete superior, la carcasa estacionaria 75 rodea el collarfn de refrigeracion superior y forma la tapa de extremo de la caja. En el caso del cojinete inferior, la carcasa estacionaria 76 que rodea el collarfn de refrigeracion inferior es parte del conjunto de deposito de aceite 77.

El conjunto de deposito tambien contiene el aceite de refrigeracion 78, la bomba de refrigeracion 79, el motor de bomba de refrigeracion 80, y un filtro y unas valvulas (no mostrados). Los conjuntos de collarfn de refrigeracion 71, 72 pueden construirse de varios materiales que tienen buena conductividad termica (por ejemplo, aluminio y cobre).

Como se muestra en mas detalle en las figuras 11-14, los conjuntos de collarfn de refrigeracion tienen cada uno 4 paletas horizontales que forman 3 huecos entre las paletas. El radio interior de los huecos es de 54 mm, el radio exterior es de 89 mm y la anchura de los huecos es de 2,4 mm. Las carcasas estacionarias superior e inferior que rodean los collarines de refrigeracion contienen cada una, 3 chorros de aceite 81 (uno por hueco). Estos chorros estan montados y orientados de tal manera que pulverizan una corriente de aceite de refrigeracion hacia y en paralelo a los huecos entre las paletas horizontales. El diametro del orificio de chorro es de 0,64 mm de donde sale la corriente.

La corriente muy delgada de aceite de refrigeracion hace contacto con la parte inferior de cada hueco en las paletas de collarfn de refrigeracion y se redirige por la alta velocidad de rotacion de tal manera que crea una pelfcula delgada que cubre completamente las superficies de paleta antes de que las fuerzas centrffugas lancen hacia fuera la pelfcula. La pelfcula de aceite mas frfa que se mueve a alta velocidad a traves de la superficie de la paleta mas caliente recoge el calor por conduccion y lo lleva por conveccion. El resultado es una transferencia de calor muy eficaz desde la pista interior del cojinete hasta el collarfn de refrigeracion, y a continuacion al aceite refrigerante.

El aceite caliente que sale de las paletas de collarfn superiores golpea la carcasa estacionaria 75, gotea a traves de agujeros en la carcasa de cojinete 82 y se recoge por un revestimiento interior 83 dentro del confinamiento, pero fuera del perfmetro del volante de inercia 84. El revestimiento se monta en unas nervaduras interiores del confinamiento 85 para aumentar el area de superficie en contacto con el aceite. Esta disposicion de revestimiento/nervadura obliga al aceite caliente a seguir la curvatura interior del confinamiento en su ruta gravitacional hacia abajo al deposito por debajo del cojinete inferior. A medida que el aceite sigue este contorno, transfiere el calor al confinamiento mas frfo, que disminuye constantemente la temperatura del aceite hasta que alcanza el deposito 77.

Tambien puede haber un flujo de aceite de derivacion que se pulveriza en el confinamiento entre las nervaduras y el revestimiento justo por debajo del cojinete superior. Este flujo de derivacion aumenta la cantidad de aceite en contacto con el confinamiento y ayuda a refrigerar el aceite en el deposito.

El aceite caliente que sale de las paletas del collarfn inferior 72 gotea en el deposito 77 sin refrigeracion significativa. En cualquier punto del tiempo, el deposito contiene una mezcla de aceite procedente del collarfn superior que se ha refrigerado por el confinamiento, el aceite de derivacion que se ha refrigerado por el confinamiento y el aceite procedente del collarfn inferior que no se ha refrigerado. Las areas de superficie interiores y exteriores del confinamiento y la refrigeracion exterior pueden disenarse de tal manera que se extraiga suficiente calor del aceite que sale del collarfn superior y del flujo de aceite de derivacion para refrigerar la mezcla de aceite en el deposito. El aceite en el deposito se recoge por la bomba y se bombea de nuevo a los chorros de aceite y se pulveriza en los collarines superior e inferior y a traves de los chorros de derivacion, completando de este modo el ciclo de refrigeracion.

Esta implementacion de collarfn de refrigeracion especffica tiene un area de superficie de paleta total de 0,093 metros cuadrados en contacto con el aceite. La bomba de aceite entrega 0,5 litros por minuto por collarfn o 0,165 litros por minuto por chorro. La temperatura del aceite aumenta 15 °C (desde su entrada en las paletas hasta su salida de las paletas) para transferir 250 vatios de calor de la pista interior del cojinete y mantener la pista interior a una temperatura en el intervalo de 80-100 °C.

Al igual que el esquema de las figuras 1 a 9, el esquema de refrigeracion de lfquido es flexible si es necesario proporcionar mas refrigeracion. El area de paleta de refrigeracion, el numero de huecos/chorros y el caudal de refrigeracion pueden aumentarse para aumentar la velocidad de transferencia de calor desde las pistas interiores del cojinete y el motor hasta el confinamiento. Si el aceite usado para la transferencia de calor no esta suficientemente refrigerado por el confinamiento, entonces puede aplicarse una refrigeracion de aire forzado al exterior del confinamiento. Como alternativa, el aceite del deposito puede hacerse circular a traves de un intercambiador de calor de aceite/aire o aceite/agua dedicado para extraer mas calor del aceite y reducir aun mas la temperatura del aceite antes de pulverizarlo en los collarines.

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Ademas, en algunas aplicaciones de volante de inercia de muy alta velocidad, puede ser necesario usar aceite en lugar de grasa para lubricar los cojinetes. En estos casos, puede usarse el mismo aceite usado para la transferencia de calor con los collarines de refrigeracion para lubricar los cojinetes. La cantidad de aceite necesaria para lubricar los cojinetes es muy pequena. Por lo tanto, puede suministrarse mediante un numero de metodos que incluyen el chorro, la micro dosificacion, la absorcion o dejando que una pequena cantidad del aceite que sale de las paletas de collarfn entre en el cojinete.

Las implementaciones pueden incluir multiples conjuntos de paletas o collarines instalados en un solo arbol para refrigerar un numero de componentes generadores de calor o mejorar la refrigeracion de un componente. Los gases que tienen conductividades termicas y calores especfficos mayores que el aire (por ejemplo, el helio y el hidrogeno) pueden usarse para mejorar la transferencia de calor en aplicaciones de vacfo parcial y encerradas. Los conjuntos de paletas pueden construirse de metales buenos conductores de calor (tales como el cobre y el aluminio) o de plasticos termicamente conductores.

La conduccion gaseosa y la refrigeracion por conveccion pueden proporcionarse manteniendo muy pequeno el hueco entre el volante de inercia y su caja, permitiendo de este modo que el calor fluya desde el borde del volante de inercia y/o el disco a la caja mas frfa. Esta disposicion puede proporcionar una segunda ruta de transferencia de calor o puede ser la ruta de transferencia de calor principal.

Las implementaciones de refrigeracion lfquida pueden incluir multiples conjuntos de paletas o collarines instalados en un solo arbol para refrigerar un numero de componentes generadores de calor o mejorar la refrigeracion de un componente. Si el aceite se usa como fluido refrigerante, tambien puede usarse para lubricar los cojinetes. Los conjuntos de paletas pueden construirse de metales buenos conductores de calor (tales como el cobre y el aluminio) o de plasticos termicamente conductores. El fluido usado para la refrigeracion podrfa ser aceite, agua, o un fluido de transferencia de calor.

Tal como se usa en las reivindicaciones, cuando se dice que un elemento esta "unido a" otro elemento, incluye el caso de que exista uno o mas elementos intermedios entre los elementos, asf como el caso en el que los elementos estan en contacto directo.

No todas las caracterfsticas descritas anteriormente y que aparecen en algunas de las siguientes reivindicaciones son necesarias para la practica de la invencion. Solo se requieren las caracterfsticas mencionadas en una reivindicacion determinada para practicar la invencion descrita en esa reivindicacion. Las caracterfsticas se han dejado deliberadamente fuera de las reivindicaciones con el fin de describir la invencion en una amplitud coherente con la contribucion de los inventores. Por ejemplo, aunque en algunas implementaciones, se usan paletas intercaladas para transferir el calor, tales paletas intercaladas no se requieren para practicar la invencion de otras reivindicaciones. Aunque en algunas implementaciones, el refrigerante lfquido se hace circular a traves de las paletas, el refrigerante lfquido no se requiere para practicar la invencion de otras reivindicaciones.

Claims

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1. Aparato que comprende:

un miembro giratorio;

uno o mas componentes generadores de calor que incluyen un cojinete que soporta el miembro giratorio; un aparato de refrigeracion configurado para transferir calor desde y refrigerar los uno o mas componentes generadores de calor; comprendiendo ademas el aparato:

una caja (14) que encierra el miembro giratorio (12) en un vacfo parcial mantenido por la caja; un primer elemento de transferencia de calor que comprende una primera pluralidad de paletas (66) dentro de la caja y unidas al miembro giratorio (12) de tal manera que la primera pluralidad de paletas giraran con el miembro giratorio en relacion a la caja;

un segundo elemento de transferencia de calor que comprende una segunda pluralidad de paletas (62) dentro de la caja fijada con relacion a la caja (14) de tal manera que las primeras paletas se mueven con respecto a las segundas paletas, definiendo las segundas paletas (62) unos huecos (64) en los que se extienden las primeras paletas (66) de tal manera que las primeras y las segundas paletas esten intercaladas,

y

en el que

las primeras y las segundas paletas (66, 62) estan situadas adyacentes al cojinete (18, 20) que soporta el miembro giratorio (12),

el cojinete (18, 20) tiene una pista interior (30, 32) y una pista exterior (26, 28),

las primeras paletas (66) y la pista interior (30, 32) estan unidas al miembro giratorio (12) de tal manera que el calor fluye por conduccion desde la pista interior (30, 32) a las primeras paletas (66) y desde el miembro giratorio (12) a las primeras paletas (66), la pista exterior (30, 28) esta unida a la caja (14), y

la pista interior (30, 32), el miembro giratorio (12), las primeras paletas (66) y las segundas paletas (62) estan dimensionados y dispuestos de tal manera que el calor de la pista interior del cojinete fluye por conduccion solida desde la pista interior (30, 32) al miembro giratorio (12) y a las primeras paletas (66), por conduccion solida desde el miembro giratorio a las primeras paletas, y principalmente por conduccion gaseosa desde las primeras paletas (66) a las segundas paletas (62), y por conduccion solida desde las segundas paletas (62) al exterior de la caja (14).
2. El aparato segun la reivindicacion 1, en el que el gas dentro de la caja (14) tiene una mayor conductividad termica que el aire.
3. El aparato segun la reivindicacion 1, en el que la separacion entre las primeras paletas (66) y las segundas paletas (62) es mayor de 0,025 mm, pero menor de 10 mm.
4. El aparato de la reivindicacion 1, en el que la separacion entre las primeras paletas y las segundas paletas es mayor de 0,5 mm pero menor de 1 mm.
5. El aparato de la reivindicacion 1, en el que

el eje de rotacion alrededor del cual gira el miembro giratorio (12) define una direccion axial,

las primeras paletas (66) son elementos cilfndricos que se extienden en una primera direccion a lo largo de la

direccion axial desde una primera base unida al miembro giratorio,

las segundas paletas son elementos cilfndricos que se extienden en una segunda direccion a lo largo de la direccion axial, opuesta a la primera direccion, desde una segunda base unida a la caja (14), y los huecos (64) entre las segundas paletas (62) son canales cilfndricos conformados y colocados para recibir las primeras paletas cilfndricas (66).
6. El aparato de la reivindicacion 1, en el que

el eje de rotacion alrededor del cual gira el miembro giratorio (12) define una direccion axial,

las primeras y las segundas paletas son unos elementos planos que se extienden en direcciones radiales

perpendiculares a la direccion axial, y

los huecos entre las segundas paletas son canales planos conformados y situados para recibir las primeras paletas planas.
7. El aparato de la reivindicacion 1, en donde el aparato comprende al menos dos cojinetes (18, 20), cada uno con sus propios elementos de transferencia de calor primero y segundo tal como se han descrito.
8. El aparato de la reivindicacion 1, en el que el miembro giratorio (12) es un volante de inercia y el volante de inercia y la caja son parte de un estabilizador de balanceo giroscopico (10) para una embarcacion.
9. El aparato de la reivindicacion 1, en el que el miembro giratorio (12) es un volante de inercia y el volante de inercia y la caja son parte de un sistema de almacenamiento de energfa de volante de inercia.
10. El aparato de la reivindicacion 1, que comprende ademas un disipador de calor al que el calor fluye desde las 5 segundas paletas.
11. El aparato de la reivindicacion 10, en el que el disipador de calor comprende unas aletas refrigeradas por aire en el exterior de la caja.

10 12. El aparato de la reivindicacion 1, en el que el gas dentro de la caja (14) y entre los elementos de transferencia

primero y segundo tiene un camino libre medio molecular en el vacfo parcial igual a o menor que la distancia entre las primeras y las segundas paletas (66, 62).
13. El aparato de la reivindicacion 1, que comprende una pluralidad de conjuntos de primeras y segundas paletas

15 (66, 62).
14. El aparato de la reivindicacion 2, en el que la transferencia de calor entre los elementos de transferencia de calor primero y segundo es principalmente por conduccion gaseosa usando un gas de helio o un gas de hidrogeno.

20 15. El aparato de la reivindicacion 1, en el que el componente generador de calor comprende uno o mas motores

electricos (16).