Notícia

INPE patenteia dispositivo para uso espacial

São José dos Campos-SP, 09 de julho de 2020

Um novo tipo de dispositivo de controle térmico, com aplicação em satélites teve sua patente concedida ao INPE em 23 de junho deste ano. Registrada sob PI 0905162-7 trata-se de patente intitulada Interruptor de Calor Multifase.

Uma das tarefas do projeto de um satélite é manter a temperatura de seus equipamentos eletrônicos dentro de limites operacionais, muitas vezes bastante estreitos.

A solução está normalmente associada a um radiador, que é uma placa fria posicionada na face externa do satélite. A condição ideal é que o equipamento esteja acoplado ao radiador quando em funcionamento (alta geração de calor) e desacoplado quando em "standby" (sem geração de calor). Suplementarmente, um capacitor térmico ajudaria em reduzir a oscilação de temperatura devida ao ciclo liga/desliga.

Estas condições podem ser obtidas utilizando três dispositivos já patenteados e muito conhecidos em aplicações espaciais.

Tubo de calor é uma ferramenta clássica para acoplar termicamente duas partes de um satélite. Dentre os vários tipos de tubos de calor, existe o convencional, no formato de um tubo, para transportar calor entre pontos distantes (usado em laptops, por exemplo), e o plano, para espalhar o calor de uma fonte dissipação concentrada (chip de um processador, por exemplo). Estes dispositivos são considerados como supercondutores de calor, pois a condutividade térmica efetiva é dezenas de vezes maior que a do cobre. São dispositivos bifásicos, carregados com um fluido de trabalho, que usam o alto calor latente de mudança de fases líquido-vapor no seu funcionamento.

Interruptores de calor são dispositivos para acoplamento/desacoplamento térmico. Estas chaves normalmente possuem atuador mecânico que, por ação de expansão térmica de um material ou fluido confinado, faz com que duas interfaces mecânicas entrem em contato físico, promovendo o acoplamento térmico entre elas. Em condições de baixas temperaturas, um vão aparece entre as interfaces, interrompendo o fluxo de calor.

Capacitor térmico é normalmente um reservatório de material de alto calor latente que faz proveito da mudança de fases líquido-solido para absorver ou liberar calor sem alteração na sua temperatura. Em modos transientes de funcionamento o capacitor consegue manter a temperatura do objeto próxima do ponto de fusão do material nele contido.

A ideia desta patente é ter as três funcionalidades citadas anteriormente num único dispositivo, batizado de Interruptor de Calor Multifase. No formato de um disco, ele é posicionado como uma ponte entre o equipamento eletrônico e o radiador, tendo como interfaces as suas duas faces planas circulares.

O interruptor multifásico é um involucro fechado que, contendo água como fluido de trabalho e tendo uma estrutura capilar nas paredes internas, funciona como um tubo de calor plano quando em condições quentes (temperaturas acima de 0 ºC), promovendo um eficiente fluxo de calor entre o equipamento eletrônico e o radiador. Em condições frias (temperaturas abaixo de 0 ºC), o dispositivo torna-se um isolador térmico pelo congelamento da água, que, no estado líquido-vapor, seria o fluido transportador de calor. Assim realiza-se a função de desacoplamento térmico, com seu "set point" natural de 0 ºC, prevenindo resfriamento excessivo do equipamento eletrônico quando desligado.

Adicionalmente, em regimes transientes e cíclicos, ao passar pela temperatura de fusão sólido-liquido (0 ^oC), o interruptor assume a função de capacitor térmico, mantendo a temperatura do equipamento próxima do ponto de fusão por um período determinado pela quantidade da água no seu interior.

A aplicação do interruptor é muito conveniente para controle de temperatura de equipamentos eletrônicos, mantendo suas temperaturas sempre positivas mesmos nas condições térmicas variáveis e extremas do ambiente espacial. Por ter seu funcionamento totalmente passivo, sem partes móveis, é muito robusto e confiável, além de não consumir energia elétrica.

Protótipo do interruptor de calor (peça na parte superior) na montagem para teste funcional

Os inventores Issamu Muraoka e Valeri Vlassov, juntamente com o pesquisador visitante FAPESP Valery Kiseev, desenvolveram e fabricaram um protótipo do interruptor multifase, utilizando a infraestrutura e recursos humanos da ETE. Os testes funcionais e de desempenho, realizados com o apoio do LIT, confirmaram os resultados esperados do interruptor nos três modos de funcionamento: tubo de calor plano, interruptor de calor e capacitor térmico. O protótipo foi fabricado com tecnologia inteiramente nacional e a busca de anterioridades no processo de obtenção da patente foi feita em nível internacional.

© Todas as matérias e imagens poderão ser reproduzidas, desde que citada a fonte.