Brevet FR2027766A1 — publié le 19701002

i 2027766 la présente invention se rapporte à un dispositif pour le refroidissement d'un corps solide susceptible de tourner sur un arbre creux fermé à ses extrémités, l'axe de l'arbre creux coïncidant de préférence avec un axe principal d'iner-5 tie du corps solide et l'arbre creux étant réalisé à la manière d'un "tube thermique" qui contient un fluide ealoporteur éva-porable pour la transmission de la chaleur. Un "tube thermique" (appelé "heat pipe" dans la littérature anglo-saxonne) peut être prévu pour le transport 10 de grandes quantités de chaleur# Un tube thermique de ce type se compose d'un tube creux dont les extrémités sont fermées de façon étanche aux gaz et dont la face interne est revêtue d'une mèche saturée d'un liquide évaporable. Grâce à l'action de la chaleur, le liquide s'évapore dans une section d'évaporation se trouvant 15 à une extrémité du tube et s'écoule dans le sens longitudinal de celui-ci vers la section de condensation se trouvant à l'autre extrémité du tube* la chaleur est évacuée à cet endroit et la vapeur est condensée et ramenée par la mèche à la section d'évaporation par effet capillaire. Par conséquent, le circuit du flui-20 de ealoporteur dans le tube thermique est fermé. De tels tubes thermiques sont décrits, par exemple, dans la revue "Scientific American", mars 1968, Yol. 218, n° 5, pp 38 à 46. Dans le prospectus "RCA Heat Pipes" de la firme Alfred ïïeye, Munich, il =est proposé -également d'améliorer l'évacuation de la chaleur à par-25 tir du rotor de machines électriques en réalisant l'arbre du rotor à la manière d'un tube thermique» La section d'évaporation se situe alors dans l'arbre du rotor, à l'intérieur de celui-ci* l'énergie thermique est absorbée dans cette zone par le fluide ealoporteur , est amenée à la section de condensation au voisina-30 ge des coussinets et est cédée de nouveau ici» Le développement des machines électriques a conduit à des températures de fonctionnement de plus en plus élevées de celles-ci, par suite de l'utilisation de matières isolantes améliorées, par exemple de matières synthétiques résistant à 35 la chaleur. La mèche du tube thermique est formée en général d'un tissu à structure capillaire, dont la limite de température détermine la température maximale du tube thermique. La présente invention vise à réduire le codt de ce tube thermique et à augmenter sensiblement la limite de 4.0 température. 69 45606 2 s 2027766 Selon l'invention» on; obtient ce résultat par le fait que la force centrifuge de l'arbre creux tournant est prévue pour recouvrir de fluide ealoporteur la face interne de cet arbre creux. En général, les machines électriques atteignent 5 leur vitesse de rotation nominale en l'espace de quelques secondes après le démarrage» lorsque la vitesse de rotation augmente, le fluide ealoporteur liquide est répa±£i régulièrement, par la force centrifuge de l'arbre creux tournant sur la face interne de ce dernier® Une mèche spéciale n'est donc pas nécessaire» le XO liquide réparti sur la face interne s'évapore dans une section d'évaporation, se condense à une extrémité du tube et revient ensuite vers la section d'évaporation» Une section de condensation pour le fluide ealoporteur peut être prévue aux deux extrémités de l'arbre ereux» 15 Dans ces conditions, la chaleur peut être évacuée de la section d'évaporation, par exemple à l'intérieur d'un rotor de machine, de part et d'autre vers les deux extrémités de l'arbre et le fluide évaporé peut se condenser à ces endroits.» On obtient alors deux circuits séparés de fluide ealoporteur, avec une section 20 d'évaporation commune» Une partie au moins de l'arbre creux, de préférence au moins l'une de ses extrémités peut être formée d'une matière ayant une bonne conductibilité -thermique» les corps de révolution disposés sur un arbre creux ont en général un poids 25 relativement élevé. Par conséquent, il faut' également donner à l'arbre creux une paroi épaisse en une matière solide, de préférence en acier» Mais l'aoter offre une grande résistance au passage de la chaleur* Si une partie au moins de l'arbre creux est réalisée en une matière ayant une bonne conductibilité ther-30 mique, la chaleur peut être évacuée par cette partie avec une résistance thermique réduite» De préférence, des organes spéciaux pour l'accélération de l'évacuation de la chaleur, en particulier un ventilateur, peuvent encore être montés sur cette partie de l'arbre creux» l'action d'un fluide de refroidissement 35 supplémentaire peut aussi être prévue. Dans certaines circonstances, par exemple dans des machines électriques équipées de rotors de taille relativement réduite et par conséquent d'un poids plus faible, l'arbre creux tout entier peut être réalisé également en une matière ayant une bonne conductibilité thermique» ¥' 40 l'invention sera déerlLte, plus en détail ci— 69 45606 3 2027766 après à titre d'exemple, avec, référence aux figures 1 à 3» Ces figures représentent schématiquement plusieurs exemples de réalisation du dispositif dans son application au refroidissement d'une machine électrique. 5 Sur la figure 1, l'arbre 2 d'une machine élec trique comprenant un rotor 3» un stator 4 et une plaque de "base 5 est réalisé à la manière d'un tube thermique® le rotor 3 de la mâchine est disposé approximativement au milieu de l'arbre 2 qui est monté dans des paliers 6 à ses deux extrémités, lorsque la 10 vitesse de rotation augmente, le fluide ealoporteur liquide se trouvant à l'intérieur de l'arbre 2 est réparti régulièrement, sur la face interne par la force centrifuge, la chaleur dissipée par le rotor 3 fait évaporer le fluide ealoporteur dans la zone û*évaporation 7. Simultanément, l'arbre 2 est refroidi dans les 15 sections de condensation 9 et 11, de façon que le fluide ealoporteur se précipite ici de nouveau sur la face interne de l'arbre 2. Par l'action de la force centrifuge, le fluide ealoporteur "revient le long de la face interne de l'arbre 2 vers la section d'évaporation comme cela est indiqué par les flèches en 20 trait interrompu sur la figure 1. Ainsi, le circuit du fluide ealoporteur est fermé» la figure 2 représente une variante de l'exemple de réalisation de la figure 1. Dans certaines circonstances, il peut être préférable de séparer le trajet du fluide calopor-25 teur évaporé du trajet du fluide ealoporteur liquide sur la surface cylindrique. Dans ce but, des cylindres creux 12, 14 peuvent être placés à l'intérieur de l'arbre 2 et peuvent être fixés, par exemple par des entretoises non représentées sur la figure 2,se trouvant entre l'arbre 2 et les cylindres creux 12 et 14. 30 Dans l'exemple de réalisation de la figure 1 ou 2, on suppose que la section de condensation ne se trouve pas à l'intérieur des paliers 6 de l'arbre. Il peut éventuellement être préférable de prévoir les paliers 6 de l'arbre également pour l'évacuation de la chaleur et de transférer ainsi les sec-35 tions de condensation 9 ou 11 dans les paliers# Sur les figures 1 et 2, les sections de.condensation 9 et 10 sont refroidies extérieurement par un liquidée Sur la figure 3 également,le rotor 3 est séparé du stator 4 par un entrefer non référencé et est disposé 40 sur l'arbre rotorique creux 2 d'une machine électrique.. Cet ar 69 45606 4 2027766 bre creux 2 est réalisé à la manière d'un tube thermique sans mèche. Il contient un fluide ealoporteur liquide qui recouvre, sous 1'action de la rotation de l'arbre creux 2> la face interne de l'arbreï qui s'évapore sous l'action de l'apport de cha-5 leur dans la section d'évaporation 7» qui se condense de nouveau dans les sections de condensation 9 et 11 et qui est ramené à la section d'évaporation 7 le long de la face interne de l'arbre creux 2. les sections de condensation sont refroidies de façon supplémentaire en vue d'une meilleure évacuation de la 10 chaleur de condensation » Dans ce but, on peut monter sur l'arbre 2, dans la section il, un système de refroidissement 16 doté, par exemple, d'ailettes de refroidissement. Dans ce système, un refroidissement supplémentaire de cette partie de l'arbre 2 est assuré par une circulation d'air et la chaleur est é«» 15 vacuée à l'air ambiant, comme indiqué par les flèches 17. Ces arbres de machine sont fabriqués en général en une matière à faible conductibilité thermique, en particulier en acier. Pour améliorer l'évacuation de la chaleur, on réalise donc une partie 18 de l'arbre creux 2 en une matière à bonne conductibilité 20 thermique, par exemple en cuivre ou en aluminium, les résistances thermiques de ces matières sont d'un ordre de grandeur inférieur à la résistance thermique de l'acier. Grâce à cet agencement, l'évacuation de la chaleur est sensiblement améliorée* En plaçant un système de refroidisseaent supplémentaire 19, par 25 exemple un ventilateur, sur la partie 19 de 1Marbre 2, on améliore encore davantage l'évacuation de la chaleur à partir de la section de condensation 9. le ventilateur 19» peut, de préférence, être formé également d'une matière ayant une bonne conductibilité thermique. 30 II peut être judicieux, dans certaines con ditions, de réaliser les deux parties de l'arbre creux 2 ou l'arbre creux 2 tout entier à partir d'une matière ayant une bonne conductibilité thermique© Au lieu du refroidissement par un liquide 35 des sections de condensation 9 et 11, comme cela est prévu dans les exemples de réalisation selon les figures 1 et 2 on peut prévoir également tout autre type de refroidissement connu en soi, par exemple un refroidissement à l'air au moyen d'ailettes de refroidissement, fixées sur l'arbre, comme sur la 40 figure 3» 69 45606 5 2027766 Bien qu'une machine électrique ait été choisie ici à titre d'exemple d'application du dispositif de refroidissement, il est bien évident que la présente invention peut aussi être utilisée avantageusement pour l'évacuation de 5 la chaleur d'autres machines. Un autre mode de réalisation particulièrement avantageux du dispositif de l'invention consiste, en vue de l'évacuation de la chaleur à partir d'un milieu selid* au moyen d'un tube thermique dont l'axe passe par ce milieu et 10 coïncide de préférence avec un axe principal d'inertie, d'entraîner le milieu en rotation. Dans ces conditions, la force centrifuge exercée sur le fluide ealoporteur du tube thermique est utilisée également pour la répartition de ee fluide sur la face interne du tube et une mèche est donc superflue. Ce mode 15 de réalisation peut être appliqué, par exemple, dans la technique spatiale où des grandes quantités de chaleur doivent généralement être évacuées à de très hautes températures. 69 45606 6 2027766 REVEHSICATI PUS lo Dispositif pour le refroidissement d'un corps solide susceptible de tourner sur un arbre creux fermé à ses extrémités, l'axe de l'arbre creux coïncidant de préférence 5 avec un axe principal d'inertie du corps solide et l'arbre creux étant réalisé à la manière d'un tube thermique qui contient un fluide ealoporteur évaporable pour la transmission de la cha** leur, caractérisé par le fait que la force centrifuge de l'arbre creux tournant est prévue pour recouvrir de fluide calopor-10 teur la face interne de cet arbre creux0 2o Dispositif suivant la revendication 1* caractérisé par le fait qu'une section de condensation . pour le fluide ealoporteur est prévue aux deux extrémités de l'arbre creuxo 15 3o Dispositif suivant les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'une partie au moins de l'ar»* bre creux, de préférence l'une de ses extrémités au moins est formée d'une matière ayant une bonne conductibilité thermique» 4o Dispositif suivant l'une quelconque 20 des revendications 1 à 3» caractérisé par le fait que l'arbre creux tout entier est réalisé en une matière ayant une bonne conductibilité thermique#