Brevet FR2006234A1 — publié le 19691226

Les ensembles de refroidissement par vaporisation comportent par exemple un bouilleur ou évaporateur, un condenseur ou échangeur de chaleur, un dispositif de régulation du niveau de l'eau, une source auxiliaire d'alimentation en eau et un séparateur eau-vapeur d'eau. Jusqu'ici ces composants avaient en général été de construction distincte et indépendante. Ils étaient liés entre eux par divers tuyaux de raccordement, joints, isolateurs électriques et conduites d'équilibrage de la pression de manière à former un ensemble de refroidissement par vaporisation qui fonctionne. Ces ensembles étaient par inhérence lourds, très encombrants et pouvaient vibrer mécaniquement. Par conséquent, les ensembles de refroidissement par vaporisation dont tous les éléments sont logés en totalité à l'intérieur d'une seule enveloppe sont avantageux du fait qu'ils sont moins encombrants et ne sont pas aussi lourds ou sujets aux vibrations que les ensembles classiques. Un ensemble de ce genre est décrit dans le brevet américain nO 2.286.746 comme comportant un tube à extrémités ouvertes entouré dans ltespace d'un tube à extrémités fermées qui est en grande partie rempli d'un agent réfrigérant liquide. Le tube à extrémités fermées est placé dans une ambiance relativement froide ce qui permet à la partie du tube située au-dessus du liquide de servir elle-même de condenseur quand un objet chaud placé à l'intérieur du tube à extrémités fermées provoque l'évaporation d'une partie de l'agent réfrigérant. Cette construction de condenseur limite par inhérence les possibilités de dissipation de chaleur de 11 ensemble. Son intérêt est par conséquent limité au refroidissement par évaporation de dispositifs de faible puissance tels que les transistors. Dans le brevet américain nO 2.882.449, ou décrit un autre exemple d'ensemble intégré de refroidissement par vaporisation dans lequel l'ensemble bouilleur-condenseur constitue une unité autonome. Dans ce cas, la tuyauterie du condenseur est plongée dans liteau à l'intérieur du bouilleur de manière à maintenir lteau elle-même à une température bien inférieure à son point d'ébullition. L'eau sert à condenser la vapeur qui se forme sur la surface d'un corps refroidi au sein de l'eau. Tout comme dans le cas du premier brevet mentionné, on a également observé que le condenseur est Incapable de dissiper les quantités de chaleur engendrées par les tubes électroniques de grande puissance actuels. Ces condenseurs ont par inhérence un rendement inférieur à ceux dans lesquels les tubes du condenseur sont placés dans un milieu gazeux. Dans le brevet britannique nb 706.209, on donne encore un autre exemple d'ensemble de refroidissement par vaporisation intégré et, dans ce cas, on utilise un condenseur classique comportant une tuyauterie de condensation en forme de serpentin placée dans un milieu gazeux au-dessus du bouilleur de l'ensemble. Une conduite tubulaire relie la partie supérieure du bouilleur à la partie inférieure de l'enveloppe du condenseur. Cependant, la vapeur montant en provenance du bouilleur et le condensat descendant en provenance du condenseur doivent passer tous deux à travers la conduite de raccordement. Par conséquent, le condensat descendant empêche la montée de la vapeur. Par suite les applications de cet ensemble sont en fait limitées au refroidissement par vaporisation de dispositifs de puissance moyenne. De plus, cet ensemble intégré ainsi que les deux autres décrits ci-dessus ne comportent aucun moyen pour maintenir constant le niveau du liquide réfrigérant à l'intérieur du bouilleur, pour remplacer le liquide réfrigérant perdu par l'ensemble, ou pour interrompre l'écoulement colomnaire du condensat revenant du con denseur au bouilleur, en vue de réaliser un isolement pour les tensions électriques. Par conséquent, la présente invention a pour objets - Un ensemble intégré de refroidissement par vaporisation moins encombrant que les ensembles de refroidissement par vaporisation existants dont la capacité de dissipation de la chaleur est équivalente. - Un ensemble de refroidissement par vaporisation qui est plus léger que les ensembles existants dont la capacité de refroidissement est équivalente. - Un ensemble robuste de refroidissement par vaporisation qui engendre moins de vibrations mécaniques pendant son fonctionnement et qui est capable de résister aux vibrations engendrées par lui-même. - Un ensemble de refroidissement par vaporisation ayant une disposition extérieure sensiblement semblable à celle de l'objet placé à l'intérieur destiné à être refroidi par vaporisation, dans le but d'économiser de la place. - Un ensemble intégré de refroidissement par vaporisation destiné à être monté coaxialement autour de l'anode tubulaire d'un tube électronique. - Un ensemble de refroidissement par vaporisation avec une régularité améliorée de l'écoulement utilisant un agent de refroidissement liquide, par exemple de l'eau, placé au contact de la surface d'un objet tubulaire à refroidir placé à l'intérieur, par exemple une anode extérieure d'un tube électronique. La présente invention, expliquée en peu de mots, concerne un ensemble intégré et perfectionné de refroidissement par vaporisatton comportant une enveloppe, un déversoir tubulaire logé à l'intérieur de ladite enveloppe à une certaine distance de celleci, ce déversoir délimitant une zone de déversement. Un moyen est prévu pour obturer une extrémité de l'enveloppe par un objet à refroidir par vaporisation logé à l'intérieur du déversoir dans la zone de ce dernier. Cette enveloppe est conçue de manière à être remplie jusqu'à un niveau prédéterminé d'un agent de refroidissement liquide. Un moyen de condensation est disposé circonférentiellement autour de la zone de déversement au-dessus du niveau du liquide. Des moyens sont incorporés pour dévier la vapeur montant au-dessus du niveau du liquide dans la zone de déversement en direction du moyen de condensation.Des moyens de communication pour le liquide sont également incorporés au-dessous du niveau du liquide en passant par les limites de la zone du déversoir. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une coupe partielle d'un ensemble de refroidissement par vaporisation incorporant les caractéristiques de la présente invention. Un tube électronique est représenté en élévation avec son anode logée à l'intérieur de l'ensemble et plongée dans un liquide de refroidissement. La figure 2 est une coupe d'une autre forme de réalisation de la présente invention, sans objet à refroidir ni agent de refroidissement placés à l'intérieur. Si l'on se reporte maintenant au dessin ci-annexé, la figure 1 représente un ensemble de refroidissement par vaporisation comportant une enveloppe tubulaire 10 réalisée de préférence en une matière isolante, par exemple une matière plastique, défini se sant les limites dans le sens radial d'un bouilleur tubulaire. L'extrémité supérieure de l'enveloppe 10 est scellée à la surface extérieure d'une bague isolante 12. Un organe tubulaire isolant 14 est disposé coaxialement à l'intérieur de l'enveloppe 10, son extrémité supérieure étant scellée à la surface intérieure de la bague 12. L'enveloppe 10, la bague 12 et l'organe tubulaire 14 servent à délimiter un espace vide 16. La bague 12 comporte un petit trou pouvant être obturé par un bouchon 18 dont le but sera expliqué plus loin. Un déversoir 20 tubulaire isolant, également réalisé de préférence en matière plastique, est fixé coaxialement à l'intérieur de ltorgane tubulaire 14 par une bague isolante 22 qui est scellée à la fois au déversoir et à l'organe tubulaire. Le déversoir tubulaire 20 délimite en partie une zone de déversement qui, dans le présent mémoire, est dénommée "espace formant une colonne cylindrique" à l'intérieur de l'ensemble intégré de refroidissement par vaporisation, qui passe à travers le déversoir et est partiellement limitée par lui. On a ménagé une série de trous 24 dans la bague 22. Une série de pointes parallèles 26 dépassent vers le bas de la bague 22 et sont en relation géométrique avec les trous 24.La bague 22, les trous 24 et les pointes 26 servent à interrompre le courant de liquide de manière à rendre ce courant non conducteur de l'électricité comme on l'expliquera ci-après à propos du fonctionnement. Un condenseur amovible à enveloppe tubulaire 30 entourant un serpentin 32 de condenseur est placé coaxialement au-dessus du bouilleur tubulaire 20. Le condenseur repose sur au moins trois séparateurs 34 qui sont de préférence fabriqués en matière plastique. Des tuyaux d'entrée et de sortie communication avec le serpentin dépassent à travers la partie supérieure de l'enveloppe 30, comme représenté. L'intervalle entre les séparateurs voisins crée dans l'ensemble intégré de grands orifices d'aération. Une pièce 36 à section transversale en forme de U, réalisée de préférence en cuivre, est scellée à l'extrémité inférieure de l'enveloppe tubulaire 10 de manière à être étanche à l'eau. Le rebord 40 d'un tube électronique 42 est fixé à la pièce 36 à section en forme de U par plusieurs étriers (non représentés). Une rondelle 38 est intercalée entre la pièce 36 et le rebord 40 de façon à former un joint étanche à l'eau entre eux. L'anode 44 du tube électronique est placée coaxialement à l'intérieur du tube de bouilleur 20. Une fois que l'anode du tube électronique 42 a été placée à l'intérieur de l'ensemble de refroidissement par vaporisation et que le rebord 40 de ce tube a été fixé à la pièce 36 à section en forme de-U, on enlève le bouchon 18 et on remplit le bouilleur d'un liquide ayant une grande chaleur latente de vaporisation, par exemple de l'eau distillée. Le bouchon 18 est ensuite remis en place dans la bague 12 et on fait pivoter le tuyau d'écoulement 19 de manière à l'orienter de haut en bas. Ceci abaisse le niveau de l'eau à l'intérieur du déversoir 20 jusqu a un niveau de surface 46 tandis que le niveau de l'eau à l'intérieur de l'es- pace vide 16 reste stationnaire. Le condenseur est ensuite placé sur les séparateurs 34. L'ensemble est maintenant prêt à fonctionner. Lorsqu'on alimente en courant électrique le tube électronique 42, l'anode 44 s'échauffe jusqu'à une température supérieure au point d'ébullition de l'eau qui l'entoure. Par suite, l'eau entourant l'anode se vaporise, en absorbant ainsi de l'anode,540 calories par gramme d'eau vaporisée. Des bulles de vapeur se forment sur la surface de l'anode, montent jusqu'à la surface de l'eau puis continuent leur ascension en direction du condenseur. Ces bulles de vapeur provoquent par leur déplacement une turbulence de la surface de l'eau qui provoque la mise en suspension dans l'air de nappes et de gouttelettes d'eau isolées, mélangées à la vapeur. En montant à travers le déversoir 20 au-dessus du niveau 46 en direction du condenseur, la plus grande partie de cette eau en suspension dans l'air est soumise à une décélération provoquée par la pesanteur qui la fait retomber à la surface de lteau. Par conséquent, la partie supérieure du déversoir 20 sert de séparateur vapeur-vapeur d'eau. Comme le déversoir est très large, le trajet le long duquel circulent la vapeur et l'eau en suspension dans l'air ne comporte pas d'obstacle, supprimant pratiquement ainsi toute difficulté due à une contre-pression. Lorsque la vapeur qui monte pénètre dans le condenseur, elle est déviée latéralement par l'enveloppe 30 de manière à venir en contact avec le serpentin 32 à travers lequel circule un réfrigérant. La vapeur se condense sur la surface de ce serpentin. Le condensat tombe ensuite sur la surface supérieure de la bague 22 isolante et s'étale latéralement sur la plus grande partie de celle-ci. L'eau qui se trouve sur cette surface supérieure s'écoule à travers les trous 24 et sur la surface inférieure de la bague à laquelle elle adhère en vertu des forces capillaires. L'eau s'écoule ensuite de haut en bas le long des pointes 26 et forme des gouttelettes pendantes aux extrémités de cellesci, qui tombent isolément sur la surface 46 de l'eau.Le rôle de la bague 22, avec ses trous et ses pointes, consiste à fragmenter le courant descendant d'eau condensée provenant du condenseur en direction de la masse d'eau entourant l'anode 44 dans le bouilleur de manière à empêcher cet écoulement de créer un trajet conducteur de l'électricité, mais de résistance ohmique élevée, entre l'anode et le condenseur qui est au potentiel de la masse. La nature isolante de la matière formant la structure communiquant entre la masse d'eau et le condenseur empêche tout passage d'un courant électrique à travers les éléments de la structure eux-mêmes. Le cycle de vaporisation et de condensation est achevé par la chute du condensat sur la surface de l'eau. Bien que le condensat de retour se mélange au début dans la partie de la masse d'eau comprise entre le déversoir 20 et l'enveloppe 10, il est libre de descendre et de passer au-dessous de l'extré- mité inférieure du déversoir 20 jusqu'à la surface de l'anode 44 en provenance de n'importe quelle direction radiale. Ceci assure évidemment une circulation automatique optimale. L'ensemble de refroidissement par vaporisation de la figure 1 comporte également des moyens intégrés pour remplacer l'eau perdue par l'ensemble du fait de la fuite lente de la vapeur d'eau. Ce remplacement est assuré par l'espacé vide 16 qui sert de réservoir auxiliaire lorsqu'il est rempli d'eau. Si- le niveau 46 de l'eau s'abaisse au-dessous du tube- 14, une bulle d'air passera immédiatement au-dessous de ce dernier et montera jusqu'à la partie supérieure de l'espace vide 16. Ceci permettra à la colonne d'eau à l'intérieur de l'espace vide de descendre puisque de l'air se trouve maintenant au-dessus, à la place d'un vide voulu. Cette descente d'eau provoquera à son tour une remontée du niveau 46 jusqu'à l'extrémité inférieure du tube 14, le fonctionnement normal de l'ensemble étant prévu pour ce niveau. La figure 2 représente une autre forme de réalisation de la présente invention sans aucun objet à refroidir ni liquide de refroidissement présents à l'intérieur. Comme dans la figure 1, cet ensemble est destiné à refroidir un tube électronique ayant une anode extérieure et monté avec l'anode à la partie supérieure. Mais il est évident que cet ensemble peut facilement Etre trans formé pour monter le tube l'anode en bas si on le désire. Dans la forme de réalisation de la figure 2, l'enveloppe 50 entoure la mAme partie de l'ensemble de refroidissement par vaporisation que l'enveloppe 10 dans la figure 1, à savoir le bouilleur. L'enveloppe forme également des parois latérales tubulaires pour le condenseur. Une conduite 52 et une soupape 53 de décompression sont incorporées entre le bouilleur et le condensueur, au lieu des évents ouverts comme dans le cas de la figure 1. Par suite, la quantité d'eau qui se perd par fuite lente de vapeur d'eau est moindre en cours de fonctionnement dans cette forme de réalisation. Un serpentin circulaire 54 est placé coaxialement au-dessus d'une bague 56 à l'intérieur de l'enveloppe 50. Des canalisations d'entrée et de sortie communiquent avec un tuyau 54 à travers un couvercle amovible 57 qui est assujetti solidement au rebord 58 de l'enveloppe. Une rondelle 59 est intercalée entre le couvercle et le rebord de l'enveloppe pour assurer l'étanchéité vis-à-vis de l'eau entre ces deux pièces. Comme dans l'ensemble de la figure 1, le condenseur tubulaire a un diamètre supérieur à celui du déversoir 20 pour que le condensat tombe à l'extérieur du déversoir 20 et, ainsi n'entrave pas l'ascension de la vapeur par sa présence. il va de soi que des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, notamment par substitution de moyens techniques équivalents, sans sortir pour cela du cadre de la présente invention. R E V E N-D i C A T i O N S 1.- Ensemble intégré de refroidissement par vaporisation caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe tubulaire, un déversoir tubulaire logé à l'intérieur de ladite enveloppe à une certaine distance de celle-ci et délimitant une-zone de déversement, un moyen pour obturer une extrémité de ladite enveloppe avec un objet destiné à hêtre refroidi par vaporisation logé à l'intérieur dudit déversoir dans ladite zone de déversement, ladite enveloppe étant conçue de manière à être remplie jusqu a un niveau prédéterminé par un agent de refroidissement liquide, un moyen de condensaton disposé circonférentiellement autour de ladite zone de déversement au-dessus dudit niveau, un moyen pour dévier la vapeur montant au-dessus dudit niveau à 1'intérieur de ladite zone de déversement en direction dudit moyen de condensation et un moyen de communication pour le liquide au-dessous dudit niveau passant à travers les limites de ladite zone de déversement grâce auquel de la vapeur peut se former sur ledit objet placé à l'intérieur dudit déversoir, monter à l'intérieur de ladite zone de déversement et être déviée en direction dudit moyen de condensation placé circonférentiellement autour de ladite zone de déversement, et du condensat peut se former et tomber dudit moyen de condensation circonférentiellement autour de la vapeur qui monte et revenir dans la zone du déversement à travers ledit dispositif de communication pour le liquide au-dessous dudit niveau. 2.- Ensemble intégré de refroidissement par vaporisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de condensation est constitué par un tuyau agencé en un serpentin dont le diamètre est supérieur à celui dudit déversoir. ).- Ensemble intégré de refroidissement par vaporisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit objet à refroidir par vaporisation est l'anode d'un tube électronique et en ce que ledit moyen pour obturer l'extrémité inférieure de ladite enveloppe avec ladite anode de tube électronique logée à l'intérieur dudit déversoir est constitué par un rebord dudit tube électronique. 4.- Ensemble intégré de refroidissement par la vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit déversoir tubulaire est réalisé en matière isolante. 5. - Ensemble intégré de refroidissement par vaporisation selon la revendication 1 > caractérisé en ce que ladite enveloppe tubulaire est réalisée en Une matière isolante. 6.- Ensemble intégré de refroidissement par vaporisation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens placés circonférentiellement autour dudit déversoir tubulaire pour interrompre la descente du condensat autour de ce dernier de manière à rendre ledit condensat descendant non conducteur de I'électricité, ledit moyen de condensation étant ainsi isolé électriquement de l'objet à refroidir. 7.- Ensemble intégré de refroidissement par vaporisation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un trou d'aération. 8.- Ensemble intégré de refroidissement par vaporisation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de régulation du niveau du liquide placé à l'intérieur de ladite enveloppe tubulaire. 9.- Ensemble intégré de refroidissement par vaporisation selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit moyen de régulation du niveau du liquide consiste en un second tube monté à l'intérieur de ladite enveloppe et ayant une extrémité inférieure placée à la hauteur dudit niveau et une extrémité supérieure scellée à ladite enveloppe. 10.- Ensemble intégré de refroidissement par vaporisation, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe et un déversoir placé à une certaine distance de ladite enveloppe, ledit déversoir étant conçu de manière à recevoir un objet à refroidir par la vapeur et délimitant un compartiment intérieur et un compartiment extérieur, au moins une partie de ladite enveloppe et dudit déversoir étant conçue de manière à être remplie jusqu'à un niveau commun prédéterminé d'un agent de refroidissement liquide avec communication entre eux pour le liquide, au-dessous dudit niveau, et un moyen de condensation placé au-dessus du niveau du liquide dans ledit compartiment extérieur, ledit moyen de condensation comportant un orifice d'entrée de la vapeur en communication avec ledit compartiment intérieur et un orifice de sortie pour le condenv sat disposé circonférentiellement autour de l'orifice d'entrée de la vapeur en communication avec ledit compartiment extérieur, ce qui permet à la vapeur de monter dans ledit compartiment intérieur en direction du condenseur tandis que le condensat peut descendre du moyen de condensation dans ledit compartiment extérieur. 11.- Ensemble intégré de refroidissement par vaporisation selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit orifice d'entrée pour la vapeur, ledit orifice de sortie pour le condensat et ledit déversoir du bouilleur sont coaxiaux. 12. - Ensemble intégré de refroidissement par vaporisation selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit condenseur est relié de façon amovible audit bouilleur. 13. - Ensemble intégré de refroidissement par la vapeur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un trou d'aération. 14.- Agencement d'un tube électronique et d'un ensemble de refroidissement par la vapeur caractérisé en ce qu'il comprend un tube électronique ayant une anode extérieure de forme générale cylindrique, un déversoir tubulaire disposé à une certaine distance autour de ladite anode cylindrique, une partie dudit déversoir tubulaire se prolongeant au-dessus de ladite anode, ledit prolongement délimitant une chambre de séparation eau-vapeur d'eau, une enveloppe placée à une certaine distance autour dudit déversoir, un moyen pour réaliser une liaison étanche entre l'extrémité inférieure de l'enveloppe et ledit tube électronique, au moins une partie dudit agencement étant conçue de manière à être remplie jusqu'à un niveau prédéterminé d'un agent de refroidissement liquide, un moyen de condensation placé au-dessus dudit niveau à proximité de ladite enveloppe, et des moyens pour dévier la vapeur montant en provenance de ladite chambre de séparation en direction dudit moyen de condensation. 15.- Agencement d'un tube électronique et d'un ensemble de refroidissement par vaporisation selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit moyen de condensation est constitué par un tuyau agencé en un serpentin circonférentiellement autour de ladite chambre de séparation. 16.- Agencement d'un tube électronique et d'un ensemble de refroidissement par vaporisation selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit moyen de condensation est constitué par un tube agencé en un serpentin au-dessus de ladite chambre de séparation, ledit serpentin ayant un diamètre supérieur'à celui dudit déversoir tubulaire. 17.- Agencement d'un tube électronique et d'un ensemble de refroidissement par vaporisation selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit moyen de condensation est isolé électri quement de ladite anode. 18.- Agencement d'un tube électronique et d'un ensemble de refroidissement par vaporisation selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite enveloppe se prolonge au-dessus dudit moyen de condensation et en ce que l'extrémité supérieure de ladite enveloppe est fermée hermétiquement. 19.- Agencement d'un tube électronique et d'un ensemble de refroidissement par vaporisation selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend un trou d'aération. 20.- Agencement d'un tube électronique et d'un ensemble de refroidissement par vaporisation selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit moyen pour obturer ladite extrémité inférieure de ladite enveloppe est constitué par un rebord fixé audit tube électronique. 21.- Agencement d'un tube électronique et d'un ensemble de refroidissement par vaporisation selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite enveloppe contient un moyen pour régler le niveau de l'agent de refroidissement liquide placé à l'intérieur. 22.- Agencement d'un tube électronique et d'un ensemble de refroidissement par vaporisation selon la revendication 21, caractérisé en ce que ledit moyen de réglage consiste en un tube scellé à une extrémité à ladite enveloppe et placé à une certaine distance autour de ladite chambre de séparation.