Brevet FR2011104A1 — publié le 19700227

Des sources d'énergie thermique à base d'isotopes radioactifs sont souvent utilisées pour l'alimentation des dispositifs thermoélectriques et thënno3oniques, par exemple des générateurs thermo-électriques et autres dispositifs du même genre. De tels sys-5 tèmes sont utilisés dans diverses applications spatiales, afin de convertir de l'énergie thermique en énergie électrique. En vue d' assurer un afllux suffisant de chaleur au dispositif thermoélectrique à la fin de la vie utile prédéterminée, il est souvent nécessaire que la source de chaleur à "combustible" isotopique présente une 20 puissance thermique nominale qui est supérieure au début de sa vie à ce qui est nécessaire au dispositif de conversion pour fournir la puissance électrique nominale au début de la vie utile de l'ensemble. C'est ainsi qu'un dispositif thermoélectrique ayant besoin de 100 watts thermiques pour produire 5 watts électriques, nécessite 15 les 100 watts thermiques en question pendant la totalité de la durée de service envisagée pour l'ensemble. Si l'on utilise une source isotopique de chaleur ayant une période de désintégration égale à un an, et si l'on admet que l'apparëil doit fonctionner à sa puissance nominale pendant un an, il faut que la source de chaleur ait une 20 puissance de 200 watts thermique au début de sa période de fonctionnement . On se heurte à des problèmes du fait qu'il est souvent préférable- de disposer d'une puissance électrique constante à la sortie du dispositif thermoélectrique. Il est souvent nécessaire, tout par-25 ticulièrement avec les isotopes à faible période de désintégration, d'utiliser une source d'énergie thermique ayant une puissance thermique variable. En outre, dans certains cas, la puissance thermique nécessaire au début de la vie utile d'une source isotopique de puissance thermique peut fort bien être suffisamment importante pour en-30 dommager le dispœ itif thermo électrique ou thermo-ionique avec lequel il doit être utilisé, et il convient par conséquent de prendre des mesures pour éviter ces dégâts, mesures qui peuvent consister à évacuer la chaleur en excédent. Diverses solutions pour la réduction de la puissance ont 35 été proposées en vue de régler la puissance thermique, autrement dit le débit de chaleur allant d'une source de puissance thermique à isotopes radioactifs vers un dispositif utilisateur, par exemple un dispositif thermoélectrique ou thermoionique. Parmi les solutions proposées on peut mentionner l'emploi de portes à persiennes qui s'ouBAD ORIGINAL 69 20141 2 2011104 vrent et se ferment afin de régler le flux de chaleur. Plusieurs problèmes mécaniques interviennent souvent lorsque l'on doit utiliser de tels dispositifs de réduction de la-puissance thermique. Il existe des cas d'utilisation où la source thermique n' 5 est pas forcément radioactive et aussi éventuellement où sa-puissance n'est pas forcément variable. C'est ainsi que dans certaines applications, on utilise une source de chaleur à valeur constante en conjonction avec un dispositif utilisateur dans lequel il est souhaitable de pouvoir régler le débit de chaleur, par exemple en 10 arrêtant dans une large mesure l'écoulement de chaleur à destination d'utilisateurs pendant certaines périodes de temps. - l'invention'vise une vanne thermique qui est destinée à être intercalée entre une source thermique et un utilisateur de chaleur, en vue de régler 1'écoulement de la chaleur dans le sens al-15 lant de la source vers l'utilisateur. La vanne selon l'invention comprend un corps qui entoure essentiellement un organe obturateur anisotrope monté à l'intérieur du corps. Des moyens sont prévus pour faire pivoter l'organe anisotrope, afin de modifier le débit de chaleur au travers de cet organe et de permettre ainsi un réglage 20 du flux de chaleur entre la source et l'utilisateur. Dans un mode préféré de réalisation, l'organe anisotrope est constitué en graphite pyrolytique et il se présente sous la forme d'un cylindre dont la surface externe est en contact direct avec la surface interne du corps, au moins au voisinage de deux côtés 25 opposés de ce corps. La rotation du cylindre autour de son axe entraîne effectivement une modification de la conductance thermique de la soupape dans une direction, et cela par un facteur d'au moins 100. La vanne thermique selon l'invention possède un petit nom-30 bre de pièces et peut être aisément fabriquée en des matériaux bon marché. Une régulation positive de chaleur peut être ainsi assurée dans un grand nombre d'applications. L'invention sera décrite ci-après de façon plus détaillée en se référant au dessin ci-annexé, lequel est fourni à titre 35 purement illustratif et non limitatif-et dans lequel : La figure 1 est une vua en perspective d'un mode préféré de réalisation de la vanne thermique selon l'invention, certains dispositifs y associés'-étant indiqués sehénati'quement. BAD ORIGINAL 69 20141 2011104 La figure 2 est une vue en coupe transversale selon la ligne 2-2 de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe transversale selon la ligne 3-3 de la figure 2. 5 La figure 4 est une vue de profil d'un autre mode possible de réalisation de la soupape selon l'invention» La figure 5 est une vue en coupe selon la- ligne 5-5 de la figure 4 « La figure 6 est une vue en plan de la vanne selon les figu-10 res 4 et 5» On se référera maintenant au dessin, et plus particulièrement à la figure 1 qui montre une vanne thermique anisotrope 10, associée à une source thermique 11 et à un dispositif utilisateur de chaleur 12. La vanne thermique 10 possède un corps 31 qui entoure 15 essentiellement un cylindre 14 en carbone et un mécanisme à tringle et manivelle 16, 18 et 19 permettant de faire tourner le cylindre. La vanne 10 est équipée d'un noyau se présentant sous la forme d'un cylindre en graphite pyrolytique 14 qui est fixé sur un arbre métallique 15 disposé selon l'axe du cylindre. Le graphite 20 pyrolytique est anisotrope, en ce sens que sa conductibilité thermique varie selon la direction. En fait, le matériau entrant dans la constitution du cylindre peut être quelconque, pour autant que ce matériau offre des propriétés d'anisotropie quant à la conductibilité thermique, et.cela de préférence dans une mesure telle que 25 cette conductibilité thermique varie dans un rapport d'au moins 1 à 100 entre une direction et une autre direction de passage. L'arbre 15 est fixé à l'une des extrémités d'un bras de manivelle 16. Le bras de manivelle 16 est à son tour relié, par un tourillon d'articulation 18, avec une tringle de manoeuvre 19 qui 30 sort du corps de la vanne par une ouverture 22. Si l'on déplace la tringle de manoeuvre 19 vers la gauche pour amener le bras 16 dans la position qui est montrée en pointillé en 20 sur la figure 3, le transfert de chaleur est maximal, dans la direction de la flèche 22a au travers du cylindre 14. Inversement, lorsque la tringle de ma-35 noeuvre 19 est déplacée vers la droite, ce qui amène le bras 16 dans la position montrée en pointillé en 21 sur la figure 3, on obtient la conductance minimale de chaleur, dans la direction de la flèche 22a, au- travers du cylindre. Les positions 20 et 21 sont à 90° 1* une de l'autre, dans le cas où l'on utilise du graphite pyrolytique 40 pour constituer le cylindre mobile de 1a- vanne. BAD ORIGINAL 69 20141 2011104 Lorsque l'on, utilise du graphite pyrolytique, JLa cylindre occupant la position correspondant à la position 20 du bras 16, présente me conductibilité thermique valant 175 W/m-^G alors que lorsqu'il est dans la position 21, sa conductibilité thermique tombe à 5 0,87 W/maG „ Dans ces conditions, on peut régler le flux thermique selon la direction de la flèehe 22a entre la surface 32 et la surface 33 en actionnant sélectivement la tige de manoeuvre 19* Le cylindre 14 est monté à rotation par l'intermédiaire de l'arbre 15 qui est porté dans des coussinets 30 ménagés dans le 10 corps 31* Dans un mode préféré de réalisation, le corps 31 a de préférence une forme générale cubique avec un premier côté 32 et un second côté 33. Une rainure 34 s'étend sur la presque totalité du périmètre du corps, lequel est ainsi subdivisé en deux parties identi-15 ques 35 et 36 qui sont reliées l'une à l'autre par des ponts 37 dont l'un est montré en avant sur la figure 1, celui qui est en arrière n'étant pas visible. Les ponts 37 subdivisent la rainure 34 en deux parties» Ainsi que cela est montré au mieux sur la figure 3, l'intérieur du corps 31 définit une chambre cylindrique dans laquelle 20 est ajusté le cylindre de graphite, grâce à quoi un contact glissant est maintenu entre la surface interne 38 du corps et la surface externe du cylindre 14. Le matériau qui constitue le corps est de préférence apte à résister aux détériorations aux températures élevées et il a de 25 préférence une bonne conductibilité thermique au contact, avec des métaux comme l'acier inoxydable, le cuivre, le nickel, l'argent et le laiton, qui sont de préférence utilisés avec la vanne- selon l'invention. Dans ces conditions, le corps 31 présente une bonne conductance thermique entre la surface 32 et la partie adjacente du 30 cylindre, et aussi une bonne conductance thermique entre la surface 33 et la partie adjacente du cylindre/ Par contre, la rainure 34 interrompt essentiellement l'écoulement de chaleur qui se produit directement par les parois au corps, du côté 32 vers le côté 33, grâce à quoi presque toute la chaleur empruntant la vanne thermique pas-35 se par le cylindre 14, les côtés, 32 et 33 étant efficacement séparés l'un de l'autre par ce cylindre» " Dans le système qui est montré sur la figure 1, la source thermique-11 est une source de .puissance, thermique, ...tel qu'une source à isotope radioactif^ par exemple une source à thulium 170, four- ~7 BAD ORIGINAt,' 69 20141 5 2011104 nissant au moins 0,5 watts par centimètre cube. Il est bien clair que l'on peut utiliser d'autres sources ayant des puissances plus élevées ou moins élevées. Même si la source de puissance thermique peut avoir un débit de chaleur qui varie en fonction du tëmps', comme cela 5 est le cas avec 1®3 sources à isotopes radioactifs," la soupape thermique selon l'invention rend également des services avec les sources de chaleur à àébit constant, par exemple les dispositifs de chauffage électrique ou autres sources de chaleur à débit constant. Le dispositif utilisateur 12 peut être un système thermo-10 électrique ou thermoionique, par exemple un générateur thermoélectrique. On peut avoir affaire à n'importe quel utilisateur de chaleur, y compris les dispositifs de cuisson, les systèmes de pompe de chaleur, les moteurs etc... Dans certains cas, l'utilisateur de chaleur peut être un puits de chaleur, par exemple un radiateur à ailettes 15 dont le rôle est de réduire la puissance thermique en faisant varier la fraction dissipée vers l'atmosphère, de l'énergie thermique fournie par une source à radioisotope de puissance variable. Le mécanisme qui agit sur la tige 19 de manoeuvre du cylindre peut être par exemple une lame bimétallique en contact avec 20 le dispositif utilisateur 12, laquelle actionne automatiquement la tringle de manoeuvre 1"9, pour faire passer le cylindre 14 de sa position à forte conductance vers sa position à faible conductance ou vice-versa. Dans ces conditions, lorsque la partie de l'utilisateur 12, qui-est en contact avec la lame bimétallique, a besoin de cha-25 leur, cette lame bimétallique déplace la tringle 19 et le cylindre 14 de telle sorte que la conductance thermique de la vanne soit maximale. Inversement, lorsque la température de l'utilisateur s' est élevée jusqu'à une valeur prédéterminée, la lame bimétallique déplace la tringle de manoeuvre'de telle façon que le transfert de 50 chaleur au travers de la vanne devienne minimal. D'a.utrestypes de mécanismes de manoeuvre peuvent être utilisés, y compris des mécanismes d'horlogerie permettant d'obtenir la conductance élevée ou la conductance faible au travers dè la vanne, selon une fonction prédéterminée du temps. Dans certains cas, la trin-55 gle de manoeuvre 19 peut être actionnée à la main. Dans un mode spécifique de réalisation de l'invention, le cylindre 14 est composé en graphite pyrolytique présentant une conductibilité thermique dans le plan horizontal, selon la direction de la flèche 22a.qui est montrée sur la-figur.e 3, cette conductance BAD ORIGINAL 69 20141 6 2011104 valant 175 W/ m °C lorsque le bras 16 occupe la position; 20, alors qu'elle vaut 0,87 W/m °C dans le plan horizontal lorsque le bras 16 se trouve dans la position 21. Le cylindre 14 a un diamètre de 25 mm et une longueur de 25 mm0 Le corps 51 se présente essentiellement 5 sous la forme d'un cube, plus exactement un parallélépipède ayant une hauteur de 34 mm, une largeur de 50 mm et une longueur de 27 mm» La rainure 54 s'étend sur la totalité du périmètre du cube à 1* exception des ponts de liaison 57 et elle est pratiquée afin de mettre à jour le cylindre sous jacent, cette rainure ayant une largeur 10 de 2,5 mm. L'intérieur du corps 14 est usiné selon une forme cylin-' drique de contact glissant avec le cylindre. L'arbre 15 est en acier inoxydable et son diamètre est d'environ 1,3 mm. On utilise une source de chaleur 11 à l'hydrure de lithium qui fonctionne à la température de 480°C, et qui a une section utile 2 1 15 de 6,5 cm au contact avec la face 32 du corps. L'utilisateur de * chaleur 12 est un générateur de vapeur ayant une section utile de 6,5 2 cm au contact avec la surface 33 du corps. lie mécanisme de manoeuvre 13 (16,18,19) est relié à une lame bimétallique qui fait office de transducteur de rétroaction. Le transfert de chaleur à destination 20 du générateur de vapeur peut varier en fonction de la température -de ce générateur. Dans un autre mode possible de réalisation de l'invention, qui est montré sur les figures 4,5 et 6, la soupape thermique anisotrope 40 est essentiellement semblable à la soupape 10 des figures 25 1,2 et 3. Dans ce mode de réalisation de l'invention les parties qui sont identiques aux parties correspondantes de la vanne thermique 10 sont désignées par les mêmes nombres de référence. La principale différence entre la vanne 40 et la vanne 10 réside dans la configuration du corps 41 qui se distingue' de celle 30 du corps 31. Le corps 41 comprend une mince enveloppe métallique 42 de forme rectangulaire qui maintient en position correcte des organes d'isolement 43 et 44 autour du cylindre anisotrope de graphite pyrolytique 14- Les éléments isolants 43 et 44 peuvent être constitués en n'importe quel matériau isolant ayant une très faible con- -55 ductibilité thermique, par exemple le matériau dit "Min-k" qui est un isolant à base de silice et d'amiante produit par la firme Johns-Manville Company. D'autres matériaux à pouvoir élevé d'isolation peuvent être utilisés pour constituer les blocs 43 et 44. Des déga8AD ORIGINAL 69 20141 7 zu I l |U4 gements sont prévus dans les isolants 43 et 44 en vue d'insérer dès blocs 45 et 46 en métal à conductibilité thermique élevée qui sont placés de part et d'autre du cylindre, ainsi que cela est montré sur la figure 5. Le cylindre est monté à rotation sur l'arbre 15 qui est porté par des coussinets adéquats dans l'enveloppe 42» Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, l'enveloppe 42 est constituée en un matériau offrant une forte résistance à la dégradation aux températures élevées, par exemple en acier inoxydable. La tige de manoeuvre 19 est reliée par un ergot 48, direc-tement avec l'un des côtés du cylindre, et elle traverse une ouverture 49 qui est ménagée dans le bloc 46, grâce à quoi il est possible de faire tourner le cylindre autour de son arbre 15. le cylindre anisotrope peut tourner de 90° pour être placé soit dans la position à conductance élevée, soit dans la position à conductance faible, comme cela a déjà été décrit pour le cas de la vanne 10. Les blocs métalliques à conductibilité thermique élevée peuvent être constitués en des matériaux divers, de préférence en cuivre. La chambre interne du corps est délimitée par les blocs isolants 43 et 44 et par les blocs concucteurs 45 et 46, tous ces élé-2q ments étant conçus pour se trouver en contact étroit avec le cylindre 14 sur la totalité de sa surface latérale. Dans ce mode particulier de réalisation, l'entrefer est éliminé et il est remplacé par les corps isolants afin d'abaisser les conductances parasites entre les deux côtés du corps. 25 Même si l'on a montré et décrit ci-dessus des modes parti culiers de réalisation de l'invention, il s'entend que de nombreuses variantes sont possibles. C'est ainsi que l'on peut envisager des dispositifs très divers pour assurer l'entraînement du cylindre en rotation. Dans certains cas, les organes assurant la rotation du cylin-30 dre peuvent être situés sur le côté du corps, plutôt qu'au centre du cylindre ou à l'intérieur du corps. Même si la forme préférée pour l'organe anisotrope est cylindrique, onpeut envisager des formes coniques, tronconiques ou autres. Même s'il est préférable que le cylindre 14 tourne ou pivote par rapport au corps, dans certains cas, 35 on peut faire tourner tout le corps avec le cylindre. On peut aussi envisager de réaliser l'ensemble du corps en un matériau à faible conductibilité thermique, comme de l'alumine, de la magnésie ou autres oxydes inorganiques. Dans les cas de ce genre, les parties des pa£AO ORIGINAL 69 20141 2011104 rois du corps qui sont en contact • avec la source de chaleur-et 1'-utilisateur de chaleur sont évidées, et des blocs métalliques à conductibilité relativement élevée remplissent ces dégagement^ de la manière précédemment décrite en réalisant un cheminement à haute conductibilité thermique au travers de la vanne, entre la source de. chaleur et 1*utilisateur, comme dans le mode de réalisation qui est montré par les figures 4s5 et 6. Même si l'utilisation de graphite pyrolytique pour l'organe anisotrope constitue la solution préférée, on peut utiliser d'autres matériaux pyrolytiques comme le bore pyrolytique» le nickel pyrolytique , le silicium pyrolytique etc..» bad original 69 20141 9 2011104 - REVENDICATIONS - 1.- Tanne thermique destinée à être utilisée pour relier une source thermique avec un utilisateur de chaleur et pour régler le flux de chaleur entre cette source et cet Utilisateur, caractérisée en ce qu'elle comprend un corps, un organe anisotrope 5 associé au corps et possédant une conductibilité thermique qui est plus grande dans une première direction que dans une seconde direction, et enfin des moyens pour faire pivoter ledit organe par rapport à la dite première direction afin de modifier lé débit du flux de chaleur au travers de cet organe. 10 2.- Vanne thermique selon la revendication 1, caracté risée en ce que ledit organe est monté pivotant par rapport au corps afin de régler le flux de chaleur provenant de l'un des côtés du corps et se dirigeant vers le côté opposé. 3.- Vanne thermique selon la revendication 1, caracté-15 risée en ce que l'organe anisotrope est constitué par du carbone pyrolytique . 4.- Vanne thermique selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'organe anisotrope a une surface externe qui est directement en contact glissant avec la surface interne du corps, au 20 moins au voisinage de deux faces latérales opposées de ce corps. - 5.- Vanne thermique selon la revendication 4', caractérisée en ce que l'une des deux face.s latérales opposées est associée à une source thermique, la seconde des deux faces opposées étant associée à un utilisateur de chaleur. 25 6.- Vanne thermique selon la revendication .5, caracté risée en ce que la source thermique est une source à isotope radioactif ayant uœ densité de puissance d'au moins 0,5 watts par centimètre cube. 7.- Vanne thermique selon la revendication 5, caractéri 30 sée en ce que le corps comprend deux surfaces latérales opposées, la conductivité thermique d'une surface à l'autre étant négligeable. 8.- Vanne thermique selon la revendication 4, caractéri sée en ce que l'organe anisotrope a la forme d'un cylindre monté à ro tation selon son axe dans le corps de la vanne. 35 9.- Vanne thermique selon la revendication 8, caractéri sée en ce que le corps comprend des parois formées en métal, et en ce ÔAD ORIGINAL 69 20141 2011104 que des moyens thermiquement isolants sont disposés entre ees parois afin de "bloquer le passage de la chaleur passant à travers lesdites parois, entre lesdites surfaces latérales opposées. 10.- Vanne thermique selon la revendication 9, caracté- 5 risée on ce qu'un arbre, situé selon l'axe du cylindre, porte un bras de manivelle. 11.- Vanne thermique selon la revendication 9, caractérisée en ce que les moyens d'isolation thermique sont constitués par un espace a'air formé dans le corps. 10 12.- Vanne thermique selon la revendication 9, carac térisée en ce que les moyens d'isolation thermique sont constitués par un matériau à faible conductibilité thermique alors que les surfaces latérales opposées sont formées paijûes pièces métalliques à forte conductibilité thermique. \ 15 13.- Vanne thermique selon la revendication 2, caracté risée en ce que l'organe anisotrope est constitué par un cylindre en un matériau pyrolytique, ce cylindre étant monté à rotation sur un arbre, les organes pour l'entraînement en rotation de ce cylindre comprenant une tringle de manoeuvre. 20 14.- Vanne thermique selon la revendication 4, caracté risée en ce que le corps définit des surfaces opposées à conductibilité thermique élevée qui sont supportées par des organes d'isolation thermique. 3AD ORIS^'