Brevet FR2090114A1 — publié le 19720114

, 2090114 La présente invention concerne un procédé nouveau de fabrication d'une conduite de chaleur dont une surface de mouillage interne est facilement contaminée. Un type de conduite de chaleur à surface de mouillage interne 5 facilement contaminée utilisant-le mercure métallique comme fluide de travail comprend une structure capillaire en acier inoxydable et une enveloppe dont la paroi interne est en acier it;c ydable. Ce type de conduite de chaleur fonctionne de manière peu satisfaisante car les surfaces d'acier inoxydable ont tendance à s'oxyder pendant la fabrication de la conduite. Le fluide de 10 travail mouille relativement peu les surfaces oxydées ou "sales", ce qui réduit la pression de pompage capillaire par rapport aux surfaces "propres". Jusqu'ici, on utilisait des agents de nettoyage pour éliminer les oxydes de» surfaces d'acier ir.oxydable de telles conduites de chaleur. On ajoute par exemple des métaux ajtifs, tels que le calcium, le magnésium 15 et le sodium au mercure métallique avant de faire le vide dans la conduite. Ce procédé a cependant l'inconvénient de former des composés,tels que ^a2^2'^e2^3' sont i-ns°lubles dans le fluide de travail. Ces composés ont à leur tour tendance à colmater les pores de la structure capillaire, ce qui entraîne également une réduction du pompage capillaire. En service, 20 l'érosion de l'enveloppe par le fluide de travail peut également contribuer à réduire la longévité de la conduite. La présente invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'une conduite de chaleur comprenant une enveloppe hermétique dont au moins une surface destinée à être mouillée par un fluide de travail a 25 tendance à être facilement contaminée, ce qui réduit la capacité de mouillage du fluide. Ce procédé consiste à nettoyer la surface des particules qui la contaminent et empêche un bon mouillage, puis à la recouvrir d'un matériau qui est soluble dans le fluide de travail aux températures de fonctionnement de la conduite de chaleur. Ces opérations sont généralement effectuées avant 30 l'assemblage, la mise sous vide et le scellement de la conduite de chaleur. La surface propre est ainsi protégée contre les contaminations, particulièrement par oxydation. L'emploi d'un matériau de protection qui est soluble dans le fluide de travail permet son élimination par le fluide de travail lui-même, après le scellement de la conduite. Il n'est pas 35 nécessaire d'incorporer des agents de nettoyage dans le fluide de travail, ce qui évite la formation de composés indésirables dans la conduite. Le matériau protecteur dissous dans le fluide de travail peut également servir 71 18024 2 2090114 à réduire l'action corrosive qu'exerce ce dernier sur l'enveloppe, pendant le fonctionnement de la conduite. L'invention permet donc d'améliorer la longévité et le rendement de6 conduites de chaleur du type décrit précédemment, Dsautres caractéristiques et avantagea rassortiront de la 5 description détaillée qui suit et du dessin sur lequel : - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une conduite de chaleur réalisée selon les principes de l'invention, ~ la figure 2 est une coupe longitudinale agrandie d'une partie de l'extrémité de la conduite de la figure 1. 10 La conduite de chaleur de la figure 1 comprend par exemple une enveloppe 11 formée d'un long tube mince li d'acier inoxydable. Le tube 13 est fermé à une de ses extrémités par un fond 15 et à son autre extrémité par un embout 17, tous deux en acier inoxydable, l'embout 17 comportant une tubulaire de vide 19. Une toile métallique cylindrique ou structure capillaire 15 23 en acier inoxydable est disposée dans l'enveloppe 11 à proximité de sa paroi interne 21. L'enveloppe 11 contient également un fluide de travail constitué par du mercure métallique qui est en contact et sature la structure capillaire 23. Avant l'assemblage de la conduite, les parties 13, 15 et 17 20 de l'enveloppe et la structure capillaire 23 sont nettoyées chimiquement et chauffées en atmosphère réductrice à environ 900°C pour éliminer les produits de contamination de leurs surfaces, particulièrement les oxydes et les gaz occlus. Les surfaces d'acier inoxydable ainsi nettoyées et qui sont destinées à être à l'intérieur de la conduite sont ensuite nickelées 25 pour constituer un revêtemenr protecteur mince. Gomme le montre la figure 2, un dépôt Z5 est formé sur toutes les parois internes de l'enveloppe 11 et un dépôt 27 est formé sur les surfaces de la structure capillaire 23. Les parties 13, 15 et 17 de l'enveloppe et la structure capillaire 23 sont à nouveau réchauffées à une température plus basse que la première, environ 30 800°C, pour éliminer les produits de contamination qui peuvent avoir pénétré dans les surfaces "proprçs" d'acier inoxydable ou qui peuvent s'être déposés pendant le processus de nickelage. Après les opérations décrites ci-dessus, la structure capillaire 23 est mise en place dans le tube 13 et le fond 15 est soudé par bombardement 35 électronique à l'une des extrémités du tube 13. On introduit ensuite le fluide de travail (mercure métallique) sous atmosphère inerte d'argon par l'extrémité opposée ouverte du tube 13. L'extrémité ouverte du tube- 13 est'à son tour 71 18024 3 2090114 soudée par bombardement électronique à 1"embout 17 dont le tube d'évacuation 19 est relié à un système de pompes à vide convenable (non représenté). On notera que pendant cette opération, les dépôts protecteurs de nickel 25 et 27 sont insolubles dans le mercure. La conduite de chaleur assemblée est 5 ensuite vidée de gaz à une température élevée d'environ 400°C pour améliorer la propreté des surfaces internes. Les températures de travail de la conduite s'étageant entre environ 250 et environ 450°CS il se produit une certaine dissolution des revêtements de nickel 25 et 27 dans le mercure pendant la mise sous vide. Au cours de cette opération, la vapeur de mercure est 10 confinée dans l'enveloppe 11 en chauffant le tube d'évacuation à environ 800°C. Au moment du refroidissement, on écrase le tube 19 pour réaliser l'étanchêité parfaite de l'enveloppe 11. Après ceci, la conduite de chaleur est prête à l'emploi et il suffit de chauffer l'une ou l'autre de ses extrémités à une température 15 comprise entre environ 250 et 450°C. Comme le montrent les flèches de la figure 1, la chaleur est généralement introduite dans la région adjacente au joint fond 15-tube 13 qui constitue la zone d'évaporation de la conduite. La région adjacente au joint embout 17-tube 13 constitue généralement la zone de condensation ou sortie de chaleur de la conduite. Dans la zone 20 d'évaporation, la chaleur est absorbée par le mercure qui s'évapore de la structure capillaire 23. La vapeur de mercure ainsi formée pénètre dans le volume central de la conduite de chaleur et s'écoule vers la zone de condensation qui est plus froide. Dans cette zone, la vapeur se condense et le condensât est absorbé par la structure capillaire 23. La structure capillaire 25 23 "pompe" le condensât pour le recycler vers la zone d'évaporation, et le cycle se répète. Pour que la conduite de chaleur ait un bon rendement, la capacité de pompage de la structure capillaire 23 doit être aussi grande que possible. Ceci revient à dire que la pression de pompage capillaire doit 30 être aussi élevée que possible. Cette pression de pompage est à son tour liée au degré de mouillage de la structure capillaire 23 par le fluide de travail. Au début du fonctionnement de la conduite de chaleur réalisée de la manière décrite ci-dessus., la pression de pompage capillaire est relativement basse à cause de la présence du dépôt de nickel sur la structure 35 capillaire qui empêche un bon mouillage par le mercure. On se rappelle que les dépôts de nickel 25 et 27 n'ont été que partiellement dissous par le fluide de travail pendant la mise sous vide de la conduite. Cependanta au 71 18024 4 2090114 fur et à mesure du fonctionnement de la conduite, les dépôts de nickel 25 et 27 se dissolvent de plus en plus dans le fluide de travail et l'amélioration du mouillage de la structure capillaire 23 par le mercure augmente la pression de pompage capillaire. Lorsque les dépôts de nickel 25 et 27 5 ont été totalement dissous par le fluide de travail', la capacité de mouillage des surfaces "propres" d'acier inoxydable de la structure capillaire 23 devient maximale. Les dépôts 25 et 27 doivent de préférence être suffisamment épais, c'est-à-dire contenir suffisamment de matière, pour saturer le mercure 10 de nickel dissous. Si la quantité de nickel est insuffisante pour saturer le fluide de travail, ce dernier risque d'attaquer les surfaces d'acier inoxydable de l'intérieur de l'enveloppe 11 et de la structure capillaire 23, ce qui tend à réduire la longévité de la conduite. Au contraire, si la quantité de nickel est supérieure à la quantité de saturation du fluide de 15 travail, il en reste une partie sur la structure capillaire 23, ce qui limite la pression de pompage capillaire de la conduite. Dans une forme de réalisation pratique, une telle conduite de chaleur peut avoir une longueur totale de 36,25 cm, un diamètre extérieur de 11,13 mm et une épaisseur de paroi de 0,5 mm. L'enveloppe 11 est en acier 20 inoxydable du type 304 et la structure capillaire 23 est formée d'une toile métallique à 24 mailles carrées par centimètres roulée 2,25 fois sur elle-même. Les dépôts de nickel 25 et 27 ont une épaisseur initiale d'environ 5ji. Une conduite de chaleur de ce type a fonctionné à une température de 325°G environ avec un transfert thermique d'environ 340 W pendant plus de 25 25.000 heures. L'étude des performances de cette conduite de chaleur en fonction de l'angle de mouillage du fluide de travail et de la structure capillaire 23 donne la pression de pompage : 30 2a cos if P = P P étant la pression de pompage capillaire, r étant le rayon des pores de P c la structure capillaire, a étant la tension superficielle du fluide de travail et 71 18024 5 2090114 de l'Energie Atomique, Université du Tennessee, Juin 1952) que l'on pouvait obtenir des angles de mouillage aussi petits que 57° entre le mercure et l'acier inoxydable "propres", de sorte que les résultats obtenus avec la conduite de chaleur de 1:invention ont confirmé la description donnée 5 ci-dessus. Dans les conduites de chaleur classiques, l'angle de mouillage *p dépasse fréquemment 90° et peut aller jusqu'à làQ°. provoquant l'interruption du pompage capillaire. Il va de soi que l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit ci-dessus. Les enveloppes des conduites de chaleur peuvent avoir-10 des formes non convexes, annulaires, anguleuses ou plates, au lieu du cylindre représenté sur la figure 1. De telles géométries sont illustrées dans article de Ç.Y. East::;an. intitulé "The Heat Pipes'5 publié dans ''Seieo■:ific Americas , 218^ 38-46 (1.968,. Les structures capillaires peuvent égalèrent faire l'objet de nombreuses variantes. ElLes peuvent être écartées 15 des parois de l'enveloppe de façon à former des chemins de retour artériels pour le fluide de travail de la conduite. Une telle conduite de chaleur est illustrée dans le brevet des E.U.A. n° 3.435.889. Diverses combinaisons d'enveloppes, de structures capillaires et de fluides de travail peuvent être utilisées. Pour des fluides de travail, 20 tels que le mercure, les surfaces mouillées peuvent être en métaux ferreux autres que l'acier inoxydable, par exemple en fer et en alliages nickel-fer. Les enveloppes et les structures capillaires peuvent être en matières différentes. Le pompage capillaire peut être assuré par des fibres poreuses et par des structures capillaires gravées. Les conduites de chaleur peuvent 25 également comporter des tubes de vapeur séparant les vapeurs de fluide de travail des condensats revenant des zones de condensation. De telles conduites sont décrites dans la demande de brevet des E.U.A. n° 640.693 déposée le 23 Mai 1967 par W.E. Harbaugh, Les revêtements protecteurs peuvent être en fer plutôt qu'en nickel et peuvent être plaqués ou déposés 30 d'une autre manière sur les surfaces mouillées. Les techniques de nettoyage et d'évacuation peuvent également être différentes de celles décrites ci-dessus. Par exemple,, le chauffage initial de l'enveloppe et des parties capillaires peut se faire sous vide poussé à 1000°C ou plus. Dans certains cas, le chauffage des pièces revêtues 35 peut être supprimé. 71 18024 6 2090114 REVEND I C A I I 0 H 1. Procédé de fabrication d'une conduite de chaleur ayant une surface interne mouillée par un fluide de travail, caractérisé en ce qu'il consiste à déposer sur cette surface un revêtement la protégeant de la contamination, ledit revêtement étant solide dans le fluide de travail à 5 la température de fonctionnement de la conduite, la surface étant rendue pratiquement exempte de contamination néfaste au mouillage avant le dépôt du revêtement protecteur. - 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface éàt en un alliage ferreux tel que l'acier inoxydable, le 10 revêtement protecteur soluble étant en nickel ou en fer et le fluide de travail étant du mercure. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite surface est celle d'une structure capillaire de la conduite de chaleur. 15 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que d'autres surfaces internes exemptes de contamination de la conduite de chaleur sont de même recouvertes d'un revêtement protecteur. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à faire le vide à une température 20 élevée dans la conduite assemblée de façon à provoquer une dissolution partielle du revêtement protecteur dans le fluide de travail, la conduite vidée de gaz étant ensuite hermétiquement scellée. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un traitement ou le fonctionnement ultérieur de la 25 conduite provoque une dissolution totale du revêtement protecteur dans le fluide de travail et le sature. 7. Conduite de chaleur dont une surface interne est mouillée par le fluide de travail qu'elle contient, ladite conduite étant caractérisée en ce que sa surface est protégée par un revêtement soluble dans le fluide 30 de travail à la température de fonctionnement de l'ensemble, ladite surface étant rendue sensiblement exempte de contamination néfaste au mouillage avant l'application du revêtement protecteur. 8. Conduite de chaleur selon la revendication 7, caractérisée en ce que la quantité de matière du dépôt protecteur formé à l'intérieur de 35 la conduite est calculée de façon à saturer le fluide de travail lorsque ledit dépôt est entièrement dissous. 71 18024 7 2090114 9. Conduite de chaleur ayant une surface interne mouillée par un fluide de travail qu'elle contient, ladite surface étant sensiblement exempte de contamination néfaste au mouillage, la conduite étant caractérisée en ce que le fluide de travail est sensiblement saturé par dissolution d'une 5 matière initialement présente comme revêtement protégeant ladite surface contre la contamination. 10. Conduite de chaleur selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que ladite surface est en un alliage ferreux,- tel que l'acier inoxydable, le fluide de travail étant du mercure et la matière 10 du revêtemenr protecteur étant du nickel ou du fer. 11. Conduite de chaleur selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que ladite surface est celle d'une structure capillaire interne de la conduite de chaleur. 12. Conduite de chaleur selon la revendication 11, caractérisée 15 en ce que d'autres surfaces internes exemptes de contamination reçoivent un revêtement protecteur similaire.