Brevet FR2045658A1 — publié le 19710305

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil pour refroidir des objets rayonnant de la chaleur et dispositifs similaires. Depuis des siècles, on fait circuler des fluides réfrigérants dans ou sur des objets à refroidir afin d'emmener la chaleur émanant de ces objets. Des systèmes de ce genre sont toutefois d'une efficacité limitée par le coefficient de transfert de chaleur et d'autres caractéristiques du réfrigérant, la quantité et le débit de ce réfrigérant et, du point de vue pratique, la quantité d'énergie ou de puissance nécessaire pour faire circuler le réfrigérant.Suivant la présente invention, par contre, on a découvert que certains gaz, s'ils sont mis sous pression dans certaines limites de pression absolue et s'ils sont alors mis en circulation en relation d'échange de chaleur avec les objets rayonnant de la chaleur, peuvent assurer un refroidissement remarquablement plus efficace par unité de puissance que les réfrigérants actuellement conflues, et ce avec d'autres résultats avantageux encore. Un but de l'invention est en conséquence de pré'voir un nouveau procédé et un nouvel appareil pour refroidir des objets rayonnant de la chaleur et dispositifs similaires, tout en présentant de larges possibilités générales d'application. Un autre but est de prévoir un nouvel appareil convenant particulièrement au refroidissement des sources de chaleur concentrées, notamment de pièces électriques et similaires. D'autres buts encore de l'invention apparaitront de la description suivante. L'invention sera en effet décrite maintenant avec référence aux dessins. La figure 1 est une représentation schématique d'un appareil préféré montrant l'application de l'invention au problème du refroidissement d'une cavité de laser ou cavité du même genre. La figure 2 est une vue en coupe, à une échelle quelque peu agrandie, prise suivant la ligne 2-2 de la figure lr dans le sens des flèches de cette ligne. La figure 3 est un graphique montrant les gammes opératoires préférées du gaz sous pression, cette pression étant donnée en abscisse en atmosphères, par rapport à la viscosité p ( rapport de celle-ci avec la viscosité de l'air courant, c'est-à-dire ), par rapport à la chaleur spécifique C ( rapport de celle vair p ci avec la constante de gaz absolue ), et par rapport à la conduc 2o tivité thermique K ( en kgcal/heure-m- C/mètre ), ces trois dernières valeurs étant données en ordonnée. -La figure 4 est une représentation schématique de l'application de l'invention à une plaque de- refroidissement ou dispositif similaire. Dans le refroidissement de sources concentrées de cha leur,par-exemple des pièces électroniques, des lasers, des tubes à arc, etc, et dans le refroidissement de sources de chaleur dis tribuée, qui sont refroidies grâce à-une convection forcée, soit directement, soit à l'intervention d'échangeurs de chaleur, de plaques froides, etc, il est de coutume de faire circuler, par exemple, de l'air sur les pièces à refroidir Dans un tel refroidissement, on a trois équations qui régissent la somme de refroidissement que l'on peut obtenir, à savoir Q = W Cp #tair (1), Q = h A n (2), et hD = C (Re) (Pr) (3) K où Q = chaleur transférée en Kw C = chaleur spécifique en Kgcal/Kg- C p #tair = élévation de température de l'air en C #tm = différence de-température moyenne logarithmique, OC 3 W = circulation massique d'air, dm3/heure h = co ficient de transfert de chaleur, Kgcal/heure-m- C A = aire superficielle de la pièce, mètre carré D =- diamètre de la pièce ou du conduit,mètre m = exposant dont la valeur est 0,8 pour unie circulation turbu lente n = exposant dont la valeur est 0,4 pour une circulation turbu lente K = conductivité thermique de l'air, kgcaljheure-m - C/mètre Re = nombre de Reynolds,-et- Pr = nombre de Prandt En considérant l'équation (1), on peut voir que l'éléva tion de température de l'air est déterminée par sa chaleur spécifique, la circulation massique d'air et l'admission totale de chaleur dans l'air. La température de la pièce est cependant déterminée également par le degré d'association existant entre le courant d'air et dette pièce.Ceci est exprimé par le coefficient de transfert de chaleur h et, de l'équation (2), on peut observer que la différence de température qui existera entre le courant d'air et la pièce ( différence de température moyenne logarithmique Qtm) sera affectée par l'élévation de température air de l'équa- tion (1). Le coefficient de transfert de chaleur h est déterminé par l'équation (3) qui met en corrélation le coefficient de transfert de chaleur avec divers paramètres sans dimension, qui englobent la vitesse, la densité, la viscosité et la conductivité thermique du fluide. I1 est avantageux par conséquent, si on doit obtenir un refroidissement optimum, d'augmenter le coefficient de transfert de chaleur jusqu'à sa valeur maximum en obtenant le nombre de Reynolds le plus élevé possible.Comme le nombre de Reynolds est directement proportionnel à la vitesse de la circulation, cela suppose habituellement le choix de la plus grande vitesse possible de l'air sur les pièces à refroidir. I1 y a cependant une limitation à la vitesse de l'air que l'on peut obtenir économiquement, car cette vitesse de l'air doit se traduire sous la forme d'une chute de pression, ce qui finalement a pour résultat une dépense de puissance.L'équation de la chute de pression est la suivante #P = 2 f G2 (4), où L 144 g(D f = 16 pour une circulation laminaire Re f = 0,046 pour une circulation turbulente (Re)0,2 3 2 G = vitesse massique de l'air, dm Aleure par m2 de section transversale g = accélération de la pesanteur, 9,81m/sec2, et e = densité, kg/dm3 L'équation de la puissance, donnant un résultat en chevaux HP ( lHP = 76,04 kgm/sec ) est HP = Wa x tp x 1445 # a x # x 550 x 3600 Wa = circulation globale de l'air, dm3/heure Ap = chute de pression en kg/cm2 3 = densité de l'air en kg/dm , et c = rendement du compresseur, de la soufflerie ou du ventilateur La caracteristique fondamentale de la présente invention est l'utilisation de certains gaz sous pression ou comprimé de façon critique, mis en circulation dans le système de refroidissement. Dans l'utilisation de gaz comprimés, on a obtenu plusieurs avantages remarquables. En premier lieu, pour la même puissance dépensée, il est possible d'obtenir une valeur Atair beaucoup plus petite ( voir équation (1) ). En second lieu, pour la même puissance dépensée, il est possible d'obtenir une valeur beaucoup plus grande de h, en maintenant ainsi la température des pièces à une valeur beaucoup plus petite. Ce système de refroidissement à gaz comprimé peut, par conséquent, être utilisé soit pour refroidir les pièces particulières, par exemple les lasers, les tubes à arc, etc, mentionnés précédemment, comme dans le système de la figure 1, soit dans des échangeurs de chaleur du type à tubes et ailettes, afin de trans ferez de façon efficace la chaleur à des systèmes de réfrigérant secondaires, comme on le décrira par la suite en se référant à la forme de réalisation de la figure 4. Une autre caractéristique de 1'invention réside dans la constatation et l'utilisation du fait que, pour un certain nombre de gaz, tels que l'azote par exemple, il y a des zones suivant lesquelles la viscosité ne se modifie pas de façon importante au fur et à mesure que la densité augmente. Comme le nombre de Reynolds Re peut s'écrire de la façon -suivante Re = D ve 4 w p pp où p = vitesse en m/heure y = viscosité en kgAleure-mètre p = périmètre mouillé de l'échangeur de chaleur en mètres W = circulation massique d'air, kg/heure on peut alors voir immédiatement que, si la viscosité ne se modifie pas,le nombre de Reynolds est directement proportionnel à W.En se référant à nouveau à l'équation (4), il sera évident que, si la circulation massique de gaz dans un système est maintenue constante tandis que la densité est augmentée, la chute de pression sera inversement proportionnelle àla densité. En conséquence, si un système est comprimé à 10 atmosphères, de sorte que la densité augmente d'un facteur de l0,on peut obtenir la même circulation massique pour 1/10 de la chute de pression à travers le système. De nouveau, si la circulation massique est maintenue identique, on peut observer de 1'. équation (5) que la puissance requise pour pomper la même circulation massique à 10 fois ladensité est alors de 1/100 de la puissance requise à la pression atmosphérique. Si, de plus, au lieu de maintenir identique la circulation globale, la puissance requise pour le pompage est maintenue identique, il s'ensuit alors que le produit jăa AP restera cons- tant. Ceci peut être réalisé en maintenant tp constant dans le système. Pour une puissance constante, cependant, il apparaît que Wux e 0,71 et que hunww0t8irt e0,57 Suivant l'invention, en conséquence, comme on l'a démontré mathématiquement ci-dessus.,. une augmentation de la densité de 10 fois à la même puissance aura ainsi pour résultat une augmentation de 3,7 fois du coefficient de transfert de chaleur.En outre, l'élévation de température de l'air ( équation (1) ) sera réduite-d'un facteur de 10, de manière à réduire non seulement la valeur de htair dans l'équation (1), mais.égalenent la valeur at dans l'équation (2). -m Un appareil utilisant- les- concepts. susdits est illustré par la figure 1, concernant une application au- problème du refroidissement d'une cavité de laser 1 contenant une-electrode de laser ou autre source 3, qui est excitée par le rayonnement provenant d'une lampe à arc adjacente 5 montée entre des réflecteurs supérieur et inférieur 7 et 9 ( figure 2 ),.tout ceci étant bien connu.La source concentrée de chaleur représentée par la cavité de laser 1 est disposée à l'intérieur d'un espace limité ou conduit 2 ou fait partie de ce même espace au conduit, ce dernier comportant une admission de gaz sous pression 4 et une sortie 6, que l'on fait fonctionner pour obtenir un système fermé dans lequel le gaz circule à travers lé conduit 2 ( et dans la cavité de laser -l qui-s'y trouve ) sous l'action d'une soufflerie de circulation 8, excitée électriquement depuis l'extérieur en 8'. Le rayonnement provenant du laser 3 est transmis par le gaz en cir culation et par une fenêtre appropriée 10 prévue dans le conduit 2. L'échange de chaleur extérieurement au conduit 2 est représenté comme étant réalisé grâce à une portion d'échange de chaleur 2 de ce conduit 2, portion qui peut être pourvue de serpentins externes 2", comme il est bien connu également. Dans le cas d'azote sous pression introduit par le conduit 4; par exemple, à 27"C, on a déterminé que, dans la zone d'environ 2 à environ lo atmosphères, chacune des caractéristiques pression-viscosité ( courbe inférieure en trait interrompu t, pression-chaleur spécifique ( courbe en trait d'axe ) et pressionconductivité thermique ( courbe en trait plein ) reste pratiquement constante dans les gammes respectives de 1,074-1,093 (rapport de la viscosité par rapport à celle de l'air courant ), de 3,51- 3,55 ( rapport de la chaleur spécifique à la constante de gaz absolue ), et de 16,88-16,91 kgcal/heure-m - C/mètre. Ce caractère constant s'étend en réalité au moins jusqu'à 100 atmosphères ( et plus ), pression à laquelle le rapport des viscosités, le rapport des chaleurs spécifiques et la conductivité thermique ont respectivement des valeurs de 1,187, de 3,66 et de 17,30. Un des avantages supplémentaires de l'utilisation d'azote sous pression dans le système de la figure 1 réside dans la caractéristique fortuite ( comparativement avec les réfrigérants fluorocarbonés actuels') que le rayonnement ultraviolet des tubes à arc et dispositifs similaires ne provoque pas de décomposition ou de dégradation quelconque dans la transmission du rayonnement visible sur les zones en cause, le gaz restant transparent sur de large bandes de longueurs d'onde extérieures aux longueurs d'onde d'absorption. Dans des essais avec de l'azote sous pression à environ 20 atmosphères, tandis qu'un objet rayonnant de la chaleur se trouve dans le conduit 2 et qu'une soufflerie 8 fait circuler le gaz à raison d'environ 23,6 dm3/sec., en proauisant une chute de pression sensiblementconstante, on obtient une différence de tem perature nettement plus petite entre l'objet et' le système de refroidissement par échange de chaleur 2" qu'avec de l'azote ne se trouvant pas sous pression. On peut utiliser également d'autres gaz ayant certains des avantages de l'azote, pour la mise en oeuvre de l'invention, De l'air comprimé, qui évidemment contient de l'azote, se comporte assez semblablement à celui-ci. L'oxygène a pratiquement la même conductivité thermique que l'azote, environ 12,5 % de chaleur spécifique en moins et environ 12,5 % de viscosité en plus. La viscosité de l'hélium est à peu près la même que celle de l'oxy- gène, tandis que la chaleur spécifique de l'hélium est d'environ 5 fois celle de l'azote et que sa conductivité thermique est d'environ 6 fois celle de l'azote et de l'oxygène. L'hydrogène a environ 15 fois la chaleur spécifique de l'azote, environ la moitié de la viscosité de l'azote et environ 7 fois la conductivité thermique de l'oxygène et de l'azote.L'hydrogène et l'oxygène sont cependant plus dangereux à cause de leur caractère explosif sous pression. De façon plus particulière, on peut considérer le cas d'un conduit 2 d'un diamètre de 1,25 cm environ, d'une longueur d'environ 30 cm et d'une aire superficielle interne d'environ 115 2 cm , et un chauffage externe à raison de 100 watts, de l'air atmosphérique circulant à travers le enduit gr ee-à la soufflerie 8 à raison de 4,72 dm /sec., avec pour résultat une chute de pression de l'ordre de 0,0161 kg/cm. La puissance dépensée peut être calculée en partant de l'équation (5t de la façon suivante : HP = 10 x 60 x 0,23 x 144 ttx 550 x 3600 Si le rendement de la soufflerie 8 est supposé être de 100 %, on obtient une valeur de 0,00285 (HP) ou de 2W6 watts.On trouve alors que i'élévation de température Ntair ( équation (1) ) est de 18,90C et on trouve que le coefficient de transfert de chaleur h est de 136 ( Re = 28.00Q ). Par substitution dans l'équation (3), on obtient tm - 540C. Comme Atair = 18,9 C, la température moyenne du tube est par conséquent d'environ 54 & + 9,450, soit 63,450C au-dessus de la température de l'air d'admission. Suivant Irinvention, par contre, on peut considérer de l'air mis sous pression à une pression absolue de 20 atmosphères c est-à-dire e 2 = 20. I1 s'ensuit que ( E > 0,57 = 5,5, d'où on obtient h = 5,5 x 136, soit 748, ce qui donne une valeur tm de 10 C. De façon similaire, la valeur Atair a alors été réduite à Ata = environ 1"C. Ceci a alors pour résultat une température de pièce d'environ 11 C, ce qui représente une amélioration impor- tante par rapport à la valeur précédente dc 63,45 C, @@@@ dé@@ trant à nouveau l'efficacité de l'invention. Bien que l'invention ait été décrite en se référant au fait que l'article à refroidir est disposé dans et en contact avec le gaz sous pression en circulation, le refroidissement peut etre réalisé grâce à une plaque froide 12 ( figure 4 ) le long de laquelle, par exemple, s'étend une portion en zigzag du conduit et qui est placée en contact de transfert de chaleur avec un objet extérieur à refroidir. De façon similaire, une circulation réa lisée par convection peut être utilisée dans certains systèmes au lieu de la soufflerie 8 ou en complément de celle-ci I1 est bien évident que d'autres variantes encore de l'invention peuvent être envisagées, l'invention n'étant év-der.- ment pas limitée aux détails donnés, REVENDICATIONS 1. Un procédé de refroidissement d'un objet rayonnant de la chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend la circulation d'un gaz dans un espace limité en relation de transfert de chaleur avec cet objet, le réglage de -la pression absolue du gaz à l'intérieur de cet espace jusqu'à une valeur d'au moins deux atmosphères, cette valeur se situant dans une gamme pour laquelle chacune des courbes caractéristiques pression-viscosité, pressionchaleur spécifique et pression-conductivité thermique du gaz reste pratiquement constante, et le maintien de la pression absolue réglée, dans cet espace durant la circulation. 2. Un procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend la phase supplémentaire d'échange de chaleur avec une zone de l'espace susdit. 3. Un procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'objet est disposé dans l'espace précité sur le parcours du gaz en circulation. 4. Un procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'objet consiste en une source d'irradiation et en ce que le gaZ est sensiblement transparent à cette irradiation. 5. Un procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'énergie produisant la circulation est injectée dans le gaz depuis une source externe, tandis qu'on maintient la chute de pression à travers l'espace limité susdit à une valeur pratiquement constante. 6. Unp:océdé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la circulation du gaz est réalisée par convection. 7. Un procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le gaz consiste en de l'azote et la pression absolue susdite est réglée à au moins 10 atmosphères. 8. Un procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la pression est réglée pour donner une viscosité de gaz à 270C, par rapport à de l'air courant, se situant dans la gamme due 1,074 à 1,187, une chaleur spécifique par rapport à la constante de gaz absolue, se situant dans la gamme de 3,51 à 3,66, et une conductivité thermique se situant dans la gamme de 16,88 à 16,91. 9. Un procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la pression absolue est réglée à au moins 20 atmosphères. 10. Un procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le gaz consiste en un gaz choisi dans le groupe comprenant l'azote, l'oxygène et l'air. 11. Un procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz consiste en un gaz choisi dans le groupe -comprenant l'hydrogène, l'hélium, l'oxygène, l'azote et l'air. 12. Appareil de refroidissement,caractérisé en ce qu'il comprend un conduit dont une portion prédéterminée est disposée en relation d'échange de chaleur avec un objet rayonnant de la chaleur, qui est à refroidir, un dispositif pour introduire un gaz dans le conduit sous une pression absolue supérieure à la pression extérieure au conduit, une soufflerie. disposée dans le conduit pour y faire circuler le gaz, et un dispositif d'échange de chaleur disposé à un. autre enduit prédéterminé du conduit et à travers lequel le gaz est mis en circulation. 13. Appareil suivant la revendication 12, caractérisé en ce qu'on prévoit un dispositif réglant la pression absolue à une valeur d'au moins deux atmosphères, cette- valeur se situant dans une gamme pour laquelle chacune des courbes caractéristiques pression-iscosité, pression-chaleur spécifique et pressionconductivité thermique du gaz reste pratiquement constante. 14. Appareil suivant la revendication 13, carac-térisé en-ce qu'on prévit un moyen pour disposer l'objet à refroidir dans le parcours du ga en circulation--à l'intérieur du conduit. 15. Appareil suivant la revendication 14, caractérise en ce que I'objet à refroidir consiste en une source d'irradiation et le gaz est pratiquement transparent à cette irradiation. 16. Appareil suivant la revendication 15, carac térisé en ce-que l'objet à refroidir consiste en un dispositif laser. 17. Appareil suivant la revendication 16, caractérisé en ce que l'objet à- refroidir consiste en une lampe à arc placée avec le dispositif laser dans le parcours susdit à l'inté- rieur du conduit en vue de l'exciter. 18. Appareil suivant la revendication 13, caractérisé en ce qu'une partie du conduit consiste en une plaque froide qui peut être disposée en relation de transfert de chaleur avec un objet extérieur. 19. Appareil suivant la revendication 13, caractérisé en ce que le gaz consiste en de l'azote et le dispositif d'ajustement de la pression est réglé pour donner une pression absolue d'au moins 10 atmosphères. 20. Appareil suivant la revendication 19, caractérisé en ce que le dispositif d'ajustement de la pression est réglé pour produire une pression absolue d'au moins 20 atmosphères. 21. Appareil comprenant un conduit comportant un laser disposé dans une portion prédéterminée de ce conduit, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif pour introduire de l'azote dans le conduit sous une pression absolue supérieure à celle extérieure à ce conduit et d'au moins deux atmosphères, cette pression se situant dans une gamme pour laquelle chacune des courbes caractéristiques pression-viscosité, pression-chaleur spécifique et pression-conductivité thermique de l'azote reste sensiblement constante, une soufflerie disposée dans ce conduit pour y faire circuler l'azote, et un dispositif échangeur de chaleur disposé dans une autre portion prédéterminée du conduit et à travers lequel circule l'azote, ce laser comprenant un dispositif laser entouré par l'azote et disposé de manière.à émettre un faisceau de lumière laser qui traverse l'azote en circulation. 22. Appareil suivant la revendication 21, caractérisé en ce que le dispositif introduisant l'azote consiste en un dispositif alimentant azote à une pression absolue.d'au moins 10 atmosphères. 23. Appareil suivant la revendication 21, caractérisé en ce que le dispositif introduisant l'azote consiste en un dispositif alimentant cet azote à une-pression absolue d'au moins 20 atmosphères. 24. Appareil suivant la revendication 21, caractérisé en ce que le laser consiste en un dispositif à lampe à arc, prévu dans l'azote en circulation.