Brevet FR2112332A1 — publié le 19720616

L'invention a pour objet un dispositif de stabilisation de la température d'un corps chaud relié à un dissipateur de chaleur. L'invention est applicable spécialement mais non ex-5 clusivement dans le cas de températures différentielles relativement faibles comme celles que l'on rencontre dans les sources de chaleur dont le combustible est un isotope radioactif. On sait que l'on peut utiliser un bain de mercure en ébullition comme moyen de régulation d'une température. Ce mode de régulation est considéré comme très précis à condition que l'é-bullition du mercure soit contrôlée par une pression maintenue avec exactitude. Le transfert de chaleur se fait ainsi sous le contrôle d'un unique paramètre, tous les autres facteurs étant les mêmes. 15 L'invention a pour but principal d'apporter un moyen de contrôle additionnel et avantageux qui peut servir à "accorder" ou à "régler" les caractéristiques de transfert calorifique d'un dispositif de transfert de chaleur à mercure bouillant. L'invention apporte un avantage extrêmement utile aux appareils de transfert 20 de chaleur, grâce à des tubes scellés contenant une petite quantité de mercure et un gaz inerte pouvant être remplis et finalement réglés sans qu'il soit nécessaire de rompre le scellement pour obtenir une caractéristique désirée du transfert de chaleur. Un autre but de l'invention est de parvenir à un dispo-25 sitif de transfert de chaleur dans lequel la quantité de chaleur transféré pour une différence de température donnée est variable grâce à des moyens simples et fidèles. Un dispositif selon l'invention comprend un mince tube -creux en matière à faible conductibilité thermique, une extrémité 30 de ce tube étant en bon contact thermique avec un bloc chauffant et l'autre extrémité du même tube étant en bon contact thermique avec un dissipateur de chaleur; des obturateurs étanches aux gaz sont montés aux deux extrémités du tube, une faible quantité de mercure se trouve à une extrémité du tube et un gaz inerte rem-35 plit ce tube, ce gaz ayant une pression prédéterminée. On donnera maintenant, uniquement à titre d'exemple, la description d'une réalisation de l'invention. On se référera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue partielle en coupe d'un bloc 40 chauffant, d'un dissipateur de chaleur et d'un dispositif de trans- 71 17918 2 2112332 ferfc de chaleur, conforme à l'invention, disposé entre eux. - la figure 2 est un graphique montrant une relation typique entre la tempérâture de l'extrémité chaude et la fourniture de chaleur exprimée en watts. 5 Un mode préféré de réalisation de l'invention se fait en rapport avec une source de chaleur dont le combustible est un isotope radioactif où la chaleur produite dans un générateur thermoélectrique, grâce à l'énergie irradiée par le combustible diminue avec 1a. désintégration de ce dernier. 10 Dans un générateur thermoélectrique du type décrit dans la demande de brevet canadien n° 063 78O du 3° septembre 1969 déposée par G.E. Hare pour "Thermal Electric Générâtors" et cédée à Atomic Energy of Canada Ltd, Commercial Products, la plus forte fraction de l'énergie irradiée par une quantité de 15 cobalt 60 est absorbée par un écran métallique dense, ou bloc chauffant, qui entoure le combustible et elle est convertie en chaleur. L'électricité est produite par des convertisseurs thermoélectriques décrits dans la. demande de brevet canadien n° 100 796 du 16/12/197° déposé par M. Tanka, N.W. Thompson et G.E. 20 Hare'et cédée à Atottic Energy of Canada Ltd. Commercial Products; les jonctions chaudes de ces convertisseurs sont en contact thermique avec le bloc chauffant. Pour obtenir une production maximum d'électricité il est nécessaire de maintenir à une température optimum les jonc-25 tions chaudes des convertisseurs thermoélectriques. Dans le cas du générateur thermoélectrique mentionné ici, cette température est de 280°C. Des températures plus faibles se traduisent par une perte nûtaJble de puissance tandis qu'aux températures qui excèdent j500°C peuvent survenir des défaillances mécaniques de l'en-30 semblé thermoéleetrique. Un minimum d'énergie provenant du radioisotope est nécessaire au maintien de la température du bloc chauffant à la valeur optimum pour le générateur thermoélectrique, ou pour tout autre dispositif dont le combustible est un isotope radioactif, 35 et cette quantité minimum d'énergie doit être encore disponible à la fin de la durée de la mission envisagée. Si la dorée de la mission d'un appareil dont le combustible est un radioisotope est une fraction notable de la période du radioisotope utilisé, il devient nécessaire de prévoir au départ un excès de combustible 71 17916 3 2112332 pour compenser le processus de désintégration. Par exemple, avec un générateur thermoélectrique au cobalt 60 ayant une mission d'une durée de 5 ans, il est nécessaire de le pourvoir de près de deux fois la charge minimum de combustible au début de l'opéra-5 tion étant donné que la période du cobalt 60 est de 5*26 années seulement. Une telle quantité excédentaire de combustible provoquerait une surchauffe de l'ensemble qui endommagerait les éléments thermoélectriques si des moyens n'étaient prévus pour "10 évacuer l'énergie en excédant pendant les premiers stades du fonctionnement. L'invention apporte un moyen d'évacuer cette énergie excédentaire tout en maintenant la source de chaleur au voisinage de sa température optimum indépendamment des variations de la températurçèxtérieure. Contrairement à d'autres dispositifs déjà "15 proposés à cet effet, tels que les shunts mécaniques de chaleur, le dispositif de l'invention est non-réversible et il ne permet pas à de la chaleur externe de pénétrer dans l'ensemble de l'appareil, ce qui est un important facteur favorable à la sécurité des groupes de puissance à radioisotope dans leurs conditions 20 d'exploitation. Enfin, le dispositif de l'invention est exempt de pièces mobiles et, aussi, insensible à 1 'endommageaient par les radiations, ce qui accroît la sûreté de son fonctionnement. La figure 1 montre un bloc chauffant nécessitant une stabilisation thermique qui est en bon contact thermique avec 25 une patte en cuivre 2 dans laquelle est serré un tube 3. L'extrémité inférieure de c^ube est fermée par un bouchon 4. Cette partie inférieure du tube pourrait être introduite dans le bloc chauffant 1 et mise en oontact thermique direct avec ce dernier sans emploi de la patte 2. 20 L'extrémité supérieure du tube 3 est introduite dans un manchon 5 qui est serré dans un dissipateur de chaleur 6 pour être en bon contact thermique avec lui. L'extrémité supérieure du tube est fermée par un bouchon 7 et le tube est rempli d'un gaz inerte, tel que de l'argon ou de l'hélium et d'une petite quantité ^5 de mercure liquide 8. Si on supprime le manchon, on doit mettre l'extrémité supérieure du tube en bon contact thermique avec le dissipateur de chaleur 6. Les tubes 3 peuvent être entourés d'une matière calorifuge. Le remplissage en gaz inerte se fait à une pression soigneusement prédéterminée. 71 17918 4 2112332 Chaque tube 3 a des parois minces, une longueur appropriée et une faible conductibilité thermique de façon que seules de faibles quantités de chaleur puissent être transférées de l'extrémité inférieure (chaude) à l'extrémité supérieure (froi-5 de) tant que la température de l'extrémité chaude n'atteint pas le point d'ébullition du mercure. L'emploi pour les tubes d'une matière à faible conductibilité réduit les pertes parasitaires. Quand le mercure bout, la vapeur monte continuellement à l'extrémité froide du tube où elle se condense et redescend à l'extrémité inférieure en produisant un accroissement considérable du taux de transfert de chaleur. L'ébullition du mercure n'a lieu que lorsque la. tension de sa vapeur atteint la même valeur que la pressL on du gaz contenu dans le tube 3 et comme la tension de vapeur du mercure change très rapidement avec la température, la 15 transition entre l'état à faible conduction thermique (sans ébul-lition) et à l'état à forte conduction thermique (ébullition) peut avoir lieu dans une gamme étroite de température. En pratique, la pression du gaz inerte à l'intérieur du tube 3 est choisie de façon que le mercure se mette à bouillir 20 à la température maximum de service prévue pour la source de chaleur à radioisotope. Toute puissance produite supérieure à celle nécessaire à maintenir la température de service fait que le mercure bout vigoureusement, transfère la chaleur en excès au dissipateur de chaleur 6 et empêche toute élévation supplémentaire 25 de la température. La pression correcte de remplissage pour un appareil donné est habituellement déterminée au mieux par des essais. La circulation de la vapeur de mercure à l'intérieur du tube 3 a pour effet de concentrer pendant le fonctionnement 30 ie gaz à"1'extrémité froide. Il est nécessaire de prévoir une poche ou un autre moyen pour loger ce gaz au-delà de la région de condensation du mercure afin d'éviter qu'il ne gêne le processus de condensation. Dans l'exemple représenté, le volume du tube à l'intérieur du manchon 5 est adapté à ce rôle. Si on supprime 35 le manchon 5, la poche peut être constituée par une extension de la partie supérieure du tube au-delà de la plaque dissipatrice de chaleur 6. Dans un générateur thermoélectrique construit par Atomic Energy of Canada L^d. trois tubes 3 similaires à transfert 71 17918 2112332 de chaleur par ébullition du mercure sont utilisés pour la stabilisation de la température du bloc chauffant. Les tubes sont attachés en des points intermédiaires, équidistants, entre eux, à 1'intérieur du bloc chauffant 1, par leurs extrémités infé-5 rieures, et à des brides en cuivre faisant partie du dissipateur de chaleur par leurs extrémités supérieures. Ces trois tubes servent à améliorer l'uniformité de la répartition de la température du bloc chauffant et à garantir la sûreté de marche en créant une rebondance adéquate. 10 Chaque tube 3 a les particularités suivantes: Longueur : 150 mm Alésage : 12,7 111111 Epaisseur de paroi : 0,5 mm Matière : tantale pur 15 (choisi pour sa grande résistan ce à la corrosion par le mercure) Obturation des extrémités : par des bouchons soudés en tantale Contenu en mercure : 2 cnr^ gaz de remplissage : hélium pression de remplissage: 20 torr (à froid) Contact chaud à l'ex- patte en cuivre de 25 mm trémité inférieure: d'épaisseur 25 Contact à froid à manchon en cuivre étroite- n, , - .., ^ ^ ment ajusté et brasé sur l'extremite supérieure: 5Q ^ ^nviron au soamet du tube et soudé au dissipateur de chaleur. Isolation thermique : à haute efficacité du type 20 à micropores remplis d'un gaz inerte à faible conductibilité comme le Xénon. La figure 2 montre la performance typique d'un unique tube. Par commodité, la fourniture de chaleur au bloc chauffant 1 est exprimée en watt, en abcisse. En ordonnée on a porté , en °C , la température de l'extrémité chaude du tube. En observant cette courbe on remarquera que pour un changemen1/â.e puissance fournie de 30 à 100 Watt, la variation de la température de l'extrémité chaude est seulement de 250°C environ à 300°C environ. 20 71 17918 6 2112332 REVENDICATIONS 1 - Dispositif de transfert de chaleur pour stabilisation de la température utilisable entre un bloc chauffant et un dissipateur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend: 5 un mince tube creux en matière à faible conductibilité calorifique, une extrémité de ce tube étant en bon contact thermique avec le bloc chauffant et l'autre extrémité du même tube étant en bon contact thermique avec le dissipateur de chaleur, - des bouchons étanches au gaz obturant les deux 10 extrémités du tube, - une faible quantité de mercure se trouvant à une extrémité du tube, - un gaz inerte remplissant le tube à une pression prédéterminée. 15 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un manchon conducteur de chaleur disposé entre le tube et le dissipateur de chaleur et mis en contact thermique avec le tube et le dissipateur, ce manchon s'éten-dant en s'éloignant de ce dernier le long d'une partie choisie du 20 tube.