Brevet FR2004341A1 — publié le 19691121

L'invention concerne un dispositif destiné au transfert de chaleur9 du type comportant un récipient fonctionnel fermé de tous catés ,où est fait le vide, dont la paroi intérieure possède une structure capillaire qui s' étend essentielle ment dans la direction dutansport de 11 énergie9 et dans lequel est enfermé, comme milieu destiné au transfert de l'énergie thermique, une matière de travail qui est vaporisée à l'une des extrémités du récipient fonctionnel (évaporateur) par l'énergie thermique fournie, et qui restitue à l'autre extrémité du récipient fonctionnel (con denseur) une-grande partie de son énergie thermique pour être ensui- te ramenée sous forme liquide dans les capillaires de la paroi du récipient vers l'évaporateur, grtee à effet de capillarité, en sens opposé à la direction principale du courant de vapeur0 Un des problèmes essentiels dans le transfert de chaleur est de transpori la chaleur le plus possible sans perte et sans chute de la température.Un procédé bien connu et largement diffusé de transfert de chaleur qui répond suffisamment à ces exigences consiste à emmagasiner la chaleur qui doit être transportée, sous forme de chaleur, dans une matière déterminée et à transporter cette matière avec la chaleur emmngsinée de la source de chaleur à l'endroit où la chaleur latente sera restituée et ré cupérée. Un des procédés dont on tire parti le plus fréquemment pour cette accumulation de chaleur est la vaporisation. Il a été mis au point des formes spéciales déterminées de dispositifs de transfert de chaleur clos, comportant des structures capillaires, sous la désignation de "tube3 de chaleur" qui possèdent une certaine importance surtout dans la technique des voyages spatiaux et dans des applications scientifiques. Dans son modèle le plus simple, un dispositif de ce genre est constitué par un tube fermé aux deux bouts dans lequel on a fait le vide, dont la paroi intérieure présente une structure capillaire et qui est garni avec une petite quantité d'un métal dont le point de fusion est relativement bassqui sert de matière de travail. La structure capillaire peut, entre autres, être formée par des rainures pratiquées sur la face intérieure de la paroi ou par un réseau de fils métalliques.Si on fournit de la chaleur à une extrémité du tube, la matière de travail se vaporise, et un jet de vapeur est lancé à travers le tube vers l'autre extrémité où la vapeur se con- dense, le métal liquide étant ensuite ramené à l'évaporateur par les forces capillaires. Be rtle de la structure capillaire consiste à permettre le retour régulier de la phase liquide de la matière de travail vers l'évaporateur Cet objectif est réalisé par la structure capillaire d'une façon très simple, même en cas drape sauteur0 La structure capillaire permet aussi, lors du fonctionnement dans un champ gravitationnel ou dans un champ aoumis à l'effet de forces d'accélération, de déplacer le condensat de matière de travail grâce aux forces capillaires m8me contre les forces exté- rieures de gravitation0 Cette structure assure aussi la régularité constante du mouillage de la paroi par la matière de travail liquide de. Ce point est avantageux si, en rai- son de petites perturbations dans l'état du fonctionnement en un endroit, l'absorption ou la restitution de chaleur se modifie, ou si, par exemple9 dans le voisinage de la zone de 1' évaporateur, il nles-t plus repris aucune chaleur à un endroit de la paroi du réci- pient qui a travaillé comme partie du condenseur et si cet endroit doit soudainement fonctionner comme évaporateur D'autre part il y a avantage à ce que toute la surface qui forme condenseur soit constamment mouillée car il se présentera toujours disponibles des germes de condensation En outre la structure capillaire permet9 mê- me si la puissance est très intense, de vaporiser la matière sans risque de surchauffe de la paroi. Quand un dispositif de transfert de chaleur de ce genre fonctionne, il règne dans ce dispositif une température qui est à peu près égale sur tous les points. Naturellement il se constitue dans le sens du courant de chaleur un gradient de température. Celui-ci est toutefois en général si petit qu'il ne peut que difficilement être mis en évidence, Si l'on caractérise le pouvoir de transfert de chaleur de ces tubes, d'une façon analogue à la conduction de la chaleur dans les corps solides, par une "conductibilité thermique", on obtient des valeurs qui, en chiffres, sont 104 à 105 fois plus grandes que la conductibilité thermique des métaux.Cela est dA-au fait que de petites différences de température ont déjà pour conséquence de grandes différences dans la pression de vapeur qui fournissent, à des points supplémentaires un peu plus froids, de la vapeur qui restitue à cet endroit sa chaleur de condensation0 Les dispositifs de transfert de chaleur connus présentent différents inconvénients qui limitent consi dérablement leur application0 Ainsi par exemple on doit exclure l'utilisation de matières de travail dont le point de fusion est supérieur à la température qu'aura la matière de travail avant la mise en route du dispositif de transfert de chaleur (température de conservation), et qui, à leur point de fusion9 présentent une presn sion de vapeur élevée, Les matières de ce genre se vaporisent d'une façon notable au cours de la fusion qui se produirait pendant la mise en route, mais se déposeraient sur les surfaces encore froides du condenseur où elles durciraient et ne retourneraient plus comme liquide à l'évaporateur En outre, dans les dispositifs tu- bulaires très longs, le jet de vapeur est projeté lors de la mise en route dans les parties froides éloignées du dispositif où il se condense. Le condensat ne sera toutefois pas retourné suffisamment vite à l'évaporateur par les forces capillaires relativement petites en raison de sa viscosité qui est encore élevée à une température as- sez basse, de sorte que l'évaporateur sèche. En outre les dispositifs de ce genre ne peuvent fonctionner que dans éventail de températures relativement faible En-dessous d'une pression de vapeur déterminée, et d'une température déterminée, il ne peut s'établir aucun jet de vapeur suffisamment riche en énergie. Quand la température monte9 la pression de vapeur s'élève suivant une fonction exponentielle, à la suite de quoi est atteinte très tat une limite supérieure pour la température en raison de la résistance finale à la pression de la matière qui forme la paroi, C'est ainsi qu'on ne peut utiliser, par exemple, des tubes en acier qui,comme liquide de travail, contiennent du sodium, qu'à des températures qui se situent entre 600 et 11000C. Les tubes pouvaient sans doute être à tout moment mis en route du fait qu'ils pouvaient être chauffés par la température ambiante jusqu'à une température de 6000C sur toute leur longueur par un apport régulier de chaleur9 mais cela ne correspond toutefois en aucune façon aux conditions posées pour une mise en oeuvre technim que. C'est seulement si, après une suspension du fonctionnement, on choisit lors de la remise en route le même sens de transport qui avait été en vigueur immédiatement avant l'arr8t précédent du fonctionnement que l'on peut remettre en route le tube en fournissant de la chaleur à l'évaporateur. On doit de toute façon travailler alors d'abord avec une très faible capacité thermique. La hauteur de remontée de la ma tière de travail liquide dans les capillaires est aussi limitée dans un champ de gravitation ou sous l'effet de forces d'accéléra tion0 En conséquence9 avec ces dispositifs9 la chaleur ne peut être transportée que sur des trajets relativement courts dans la direct tion des forces extérieures0 l'affinement de la structure capillaire re grande à laquelle la hauteur de remontée pourrait être amenée à une valeur quelconque est aussi soumis à des limites, du fait que la résistance à l'écoulement de la structure capillaire augmente fortement quand le diamètre des capillaires diminue, meme Si la surfa- ce totale de la section est maintenue grâce à l'augmentation du nombre des capillaires0 Les forces capillaires ne suffisent alors plus pour entraîner un courant de liquide suffisamment important vers l'évaporateur contre la résistance à l'écoulement0 L'invention a pour but de réaliser un dispositif de transfert de chaleur qui écarte les inconvénients des dispositifs de ce genre connus0 Le dispositif suivant l'invention est caractérisé par ce que le récipient fonctionnel est divisé en chambres par une ou plusieurs cloisons de séparation imperméables à la matière de travail, mais cependant perméables à la chaleur, chaque chambre contenant une matière de travail qui convient comme agent pour la transmission de l'énergie thermique. les cloisons de séparation peuvent ici être disposées dans le sens de l'avancement du transfert de chaleur, (cloisons longitudinales) et/ou perpendiculairement à ce sens (cloisons transversales). Dans un mode particulier dtexécun tion9 on utilise des cloisons de séparation longitudinales tubulai- res coaxiales9 dont les surfaces sont munies avec avantages d'une structure capillaire. En faisant appel aux cloisons longitudinales, et en particulier aussi aux cloisons longitudinales tubulaires coaxiales entre les chambres adjacentes garnies de matières de travail appropriées différentes, il est possible de surmonter d'une façon relativement simple les inconvénients des dispositifs de transfert de chaleur connus qui apparaissent relativement au comportement à la chaleur de ces matières de travail et au retour en ar- rière du condensat qui doit entre assuré par les capillaires du con- denseur vers l'évaporateur, en particulier pendant la phase de mise en route. À cette fin la chaleur sera fournie aux zones aux zones évaporatrices des chambres coaxiales à partir de la périphérie par l'intermédiaire de ponts thermiques9 de sorte que la chambre centrnle-sera atteinte finalement par le courant de chaleur. Cette chambre centrale est garnie d'une matière de travail à bas point de fusion avec une tension de vapeur relativement éle- vée de sorte que cette chambre se met en action régulièrement sur toute la longueur.La chambre adjacente s'échauffe par suite9 ainsi que la matière de travail qui y est contenue g en raison de la con- duction de la chaleur à travers la cloison de séparation. Aussit8t que la température de fonctionnement minimale est atteinte dans cette chambres elle reprend la partie principale du transport de chaleur, continue à s'échauffer et amène de ce fait la chambre qui se trouve à sa périphérie à la température minimale de fonctionnement. Ce processus se renouvelle jusqu'à ce que la chambre qui se trouve à l'extérieur reprenne le transport de chaleur. En donnant aux ponts thermiques une dimension appropriée entre les différents évaporateurs9 on obtient que les températures des évaporateurs décroissent de la périphérie vers le centre, Il sera ainsi évité que la pression dans la chambre qui contient la matière de travail qui se vaporise relativement facilement ne monte à une valeur qui corresponde à la température de la chambre qui se trouve à l'extérieur. Grace à cette précaution, il n'est pas seulement obtenu que le dispositif puisse être mis en route sans préparatifs particulier, mais encore que les dispositifs de transfert de chaleur ainsi établis peuvent aussi fonctionner, sans que la pression intérieure soit excessivement levée, dans un éventail de températures beaucoup plus large que ce n'est possible avec les systèmes à chambre uniques Le décrochement thermique des cham- bres adjacentes, où les conditions de fonctionnement sont diffé- rentes après la mise en route, se fait de la façon la plus simple en limitant la quantité de matière de travail dans la chambre intérieure, de telle sorte qu'au-dessus d'une température déterminée, il s'évapore une quantité de matière de travail telle9 que le circuit fermé de liquide du condenseur à l'évaporateur se rompe dans les capillaires et que ce soit les lois des gaz qui s'appliquent au lieu de l'équation de pression de vapeur0 Il est aussi apparu avantageux de ne pas garnir complètement le condenseur de la structure capillaire, mais au contraire d'insérer dans cette structure des vides de telle façon que le courant de liquide soit interrompu sur ces failles; Chacune de ces precautions convient pour empocher que la chambre qui se trouve à lDintérieur soit chauffée d9une façon inadmissible à partir du condenseur par la chambre extérieure qui se trouve pleinement en fonctionnement et du fait des rapports de température qui y règnent 9 et qucil se produise une inversion du sens de transport deénergieO Pour empocher une élévation indésio rable de la température dans les évaporateurs qui se trouvent dans le centre9 il est apparu particulièrement avantageux de raccorder ceux-ci sur des conduits deévacuation de la chaleur qui ne soient pas linéaires avec la température0 Se pretent à cette action par exemple des toles réfléchissantes et des dispositifs de transfert de chaleur du modèle décrit ou dun modèle plus simple qui sont raccordés avec les organes dcabalssement de la chaleur0 La limitation de la dilatation lon- gitudinale du récipient fonctionnel dans des champs de gravitation ou deaccéláration peut entre évitée au moyen de cloisons de sépara- tion qui seétendent perpendiculairement à la direction d'avancement du courant de chaleur0 La matière de travail de la chambre concernée se condensera alors sur l'une des faces de la cloisons avec restitution de la chaleur latente, La chaleur sera transmise par la cloi- son de séparation et amènera la matière de travail de la chambre suivante à se vaporiser sur l'autre face Les distances de cloisons qui limitent les différentes chambres seront choisies telles qu'el- les soient égales ou inférieures aux hauteurs de remontée de la matière de travail dans les structures capillaires des chambres. Il se formera alors dans les chambres des courants de matières de tra- vail ininterrompus9 fermés sur eux mmes9 m8me si l'action de la gravité ou des forces d'accélération sont défavorables. Le courant de chaleur afférent traverse toutes les cloisons de séparation et scéeoule de la façon voulue au travers du dispositif de transfert de chaleur. Il y a aussi avantage à pourvoir les cloisons de séparation d'une structure capillaire par ce que sera assurée une plus grande continuité dans le transport de matière et de chaleur9 et qu'en mdme temps les surchauffes locales seront évitées0 Il y a en outre avantage à ce que les cloisons de séparation soient les plus minces possible9 et à rendre leur surfa- ce la plus grande possible en choisissant une forme appropriée afin que la chute de température qui résulterait de la conductibilité thermique finale du matériau de la paroi soit la plus petite possi- bleO Le comportement en fonctionnement et la durée de vie pourront être ici essentiellement améliorés en construisant les chambres en matériaux qui soient les mieux adaptés atz conditions physiques et chimiques déterminées dans celles-ci et dans les espaces adjacents, en particulier par la matière de travail mise en oeuvre, par le niveau de température du transport de chaleur et par la quantité de chaleur à transmettre. Il sera possible de l'obtenir d'une façon particulièrement simple au moyen de cloisons longitudinales e t/ou transversales établies à partir de matériaux de différentes sortes (matériaux combinés). Les dispositifs de transfert de chaleur suivant l'invention fonctionnent dune façon satisfaisante dans le champ de gravitationsmeme avec un récipient fonctionnel re- courbé sur un ou plusieurs plans, ce qui serait autrement impossiw ble avec des hauteurs de transport élevées. Le dessin annexé représente un exemple d'exécution qui est décrit ci après le tube conducteur de chaleur 1 est divisé par des cloisons de séparation 2 et 3 tubulaires disposées concentriquement, en chambres cylindriques 4s 5 et 69 qui présentent une section circulaire ou annulaires La chambre annulai re 6 qui se trouve à l'extérieur est divisés par une cloison de séparation 7, dont la section a une forme propre à augmenter la surface, en chambres partielles 6a et 6b, placées l'une derrière l'autre.A l'extrémité inférieure du tube conducteur de chaleur sont disposés les évaporateurs 8, 9 et 10, qui sont raccordés par des ponts conducteurs de chaleur 11 et 12o A l'extrémité supérieure du tube conducteur de chaleur (condenseur) l'énergie thermique est restituée à un milieu refroidissant. Toutes les parois des chambres sont pourvues d'une structure capillaire 13 qui peut être constituée, par exemple, par un filet en acier inoxydable,où les fils ont une épaisseur de 50 microns et les mailles une largeur de 75 microns, qui peut entre fixé rigidement sur les parois de la chambre par calage ou par des appuis appropriésO La structure capillaire est interrompue simplement aux ponts de chaleur pour le décrochement thermique. La chaleur est amenée par l'évapo- rateur annulaire 8 Farrive par les ponts thermiques 11 et 13 à l'évaporateur 10 de la chambre centrale 4 qui contient du césium et dans les parois sont en acier, Le césium se vaporise à partir d'environ 3000C. La vapeur de césium remplit la chambre 4, l'éner- gie thermique est abandonnée au milieu refroidissant, et le conden sat est ramené dans la structure capillaire vers l'évaporateur.Par suite, la paroi 3 de la chambre s'échauffe jusqu'à ce qu'il s'éta- blisse dans la chambre 5 contenant du sodium, qui s'évapore à para tir d'environ 5000C, des conditions favorables pour la mise en rou te, Dans la chambre 5 qui est maintenant mise en route et dont les parois sont également en acier, le mEme processus se renouvelle à une température d'un niveau plus élevé. Les chambres placées à l'extérieur 6a et 6b sont établies en niobium allié avec 1 % de zirconium, la cloison de séparation 2 pouvant éventuellement être constituée par une cloison composite d'acier et de Nb/Zr. Les chambres 6a et 6b contiennent du lithium qui se vaporise à partir d'environ 7000C. Du fait que les températures qui se produisent dans ces chambres peuvent atteindre 14000C, la structure capillaire doit être aussi constituée de Nb/ZrO La limitation de la longueur du tube conducteur de chaleur qui pourrait demander la remontée relativement faible du lithium est évitée gra- ce à la cloison de séparation transversale 7. Aussit8t que les chambres 6a et 6b sont entrées en service, elles reprennent la par- tie principale du transport de chaleur, Les avantages obtenus avec l'invention résident en ce que le transport de chaleur est possible avec de faibles chutes de température, dans la direction de la gravité et dans la direction des forces d'accélération même sur de longs parcours. La division du récipient fonctionnel en chambres assure un mode de fonctionnement irréprochable sur un large éventail de températures et permet en particulier un démarrage irréprochable du dispositif de transfert de chaleur0 il est en outre possible de construire des dispositifs de transfert de chaleur dont le'fonctionnement soit str avec un récipient fonctionnel recourbé sur un ou plusieurs plans. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'au tres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'in- Invention R B V E g D I C A I I O g S 10) Dispositif de transfert de chaleur du type comportant un récipient fonctionnel fermé de tous cô- tés, où est fait le vide, dont la paroi présente une structure capillaire qui retend dans le sens du transport de l'énergie, et dans lequel est enfermée une matière de travail servant de milieu pour le transfert de l'énergie thermique , qui est vaporisée à l'une des extrémitée du récipient fonctionnel ( évaporateur) par lénergie thermique amenée, et qui restitue à l'autre extrémité du récipient fonctionnel ( condenseur) une grande partie de son énergie thermique, puis est ramenée à l'évaporateur, sous forme de milieu liquide, dans les capillaires de la paroi du récipient sous l'effet de la capillarité, contre le sens du courant principal de vapeur et/ou contre le sens des forces externes d'accélération, dispositif carac- térisé en ce que le récipient fonctionnel est divisé, par une ou plusieurs cloisons de séparation imperméables A la matière de travail, mais cependant perméables à la chaleur, chaque chambre contenant une matière de travail appropriée pour servir de milieu pour la transmission de l'énergie thermique, dispositif fonctionnant sur un plus large éventail de température. 20) Dispositif de transfert de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par des cloisons de séparation ( cloisons longitudinales et cloisons transversales) montées dans le sens de l'avancement du transport de chaleur et/ou perpendiculairement à celui-ci. 30) Dispositif de transfert de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par une ou plusieurs cloisons de séparations longitudinales tubulaires placées coaxialement dans le sens du transport de la chaleur. 40) Dispositif detransfert de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par une ou plusieurs cloisons de séparations transversales dont la forme augmente la surface, placées entre le condenseur d'une chambre et l'évaporateur de la chambre qui s'y raccorde. 50) Dispositif de transfert de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les chambres sont garnies de matières de travail différentes. 60) Dispositif de transfert de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les chambres sont établies avec des matériaux qui sont adaptés de la façon optimale aux conditions physiques et chimiques déterminées dans ces chambres et dans les chambres adjacentes, en particulier par la matière de travail utilisée, par le niveau de température du transport de chaleur, et par la quantité d'énergie thermique à transmettre. T) Dispositif de transfert de chaleur suivant ltune quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par des cloisons de séparation longitudinales et/ou transversales établies en matériaux de différentes sortes ( matériaux composités). 80) Dispositif de transfert de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par des cloisons de séparation longitudinales et transversales pourvues de capillaires. 90) Dispositif de transfert de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par des ponts de chaleur présentant des surfaces qui rayonnent de l'énergie thermique qui relient ensemble les zones évaporateurs des chambres accouplées parallèlement ou à la suite les unes des autres. 10 ) Dispositif de transfert de cha leur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par la présente d'une quantité déterminée de matière de travail dans la chambre centrale, qui s'évapore totalement ou pour sa plus grande part à une température déterminée qui se situe dans la zone de la température du condenseur de la chambre extérieure. 110) Dispositif de transfert de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par des vides qui interrompent le courant de liquide entre l'évaporateur et le condenseur, dans la structure capillaire dans la zone du condenseur. 120) Dispositif de transfert de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé par un récipient fonctionnel recourbé sur un ou plusieurs plans. 130) Dispositif de transfert de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11 , caractérisé par une ou plusieurs régions de vaporisation qui sont reliées avec des surfaces rayonnantes ou des abaisseurs de températures secondaires par un dispositif de transfert de chaleur comportant une structure capillaire et une température de fonctionnement minimale.