Brevet FR2108149A1 — publié le 19720519

La présente invention a pour objet une cellule de~refroidissemqnt et. plus pa ticlièreme nt une cellule de refroidissement à métal liquide. on sait que dans de nombreux dispositifs industriels, certains organes se trouvent soumis à un flux thermique parfois très important, et préjudiciable à leur fonctionnement, de telle sorte que l'évacuation d'un tel flux doit être efficacement réalisée. C'est ainsi.que par exemple, dans le cas de générateurs de rayonnements tels que des rayons X, des neutrons et-autres, utilisant comme organe émissif une cible bombardee par:des particules, il y a lieu d'évacuer le flux thermique généré par l'impact desdites particules, sous peine de rapide destruction de ladite cible. De même par exemple, dans la fabrication d'objets moulés d'une manière continue ou semi-continue, il est impératif de refroidir énergiquement les filières de moulage mises en oeuvre et d'éliminer les calories apportées de façon continue par le matériau s'écoulant à ljintérieur, celui-ci pouvant être porté à une température élevée. Un tel problème de refroidissement se pose également dans le cas des machines thermiques telles que des moteurs, dans lesquelles une explosion ou une combustion provoque l'échauffement de certaines pièces qui seraient rapidement détruites si elles n'étaient pas efficacement refroidies. On sait également que les moyens de refroidissement Les plus usuels et pratiques consistent à utiliser soit des fluides réfrigérants naturels tels que l'air ou l'eau, soit des fluides caloporteurs comme les huiles dites thermiques ou les sels fondus. Cependant, la mise en oeuvre de tels fluides conduit généralement à une limitation du flux de chaleur pouvant être évacué et "ipso facto" au flux que les pièces ou organes peuvent eux-monos recevoir sans risque de.. detérioration. Pour obvier à un tel inconvénient, on a remplacé de tels fluides par des métaux liquides et notamment des métaux alcalins permettant- d.'évacuer des quantités de chaleur beaucoup plus importantes ; pour fixer les idées, la mise en oeuvre de sodium liquide permet d'évacuer un flux thermique 8 à 10 fois plus important que dans le cas ou un fluide tel que l'eau est utilisé. Cependant, les dispositifs de refroidissement et notamment les cellules mettant en oeuvre des fluides réfrigérants classiques présentent une conception ainsi qu'une structure telles qu'il s 'avère impossible de tirer parti au mieux des propriétés réfrigérantes dans le cas de la mise en oeuvre de métaux liquides. Par ailleurs, de telles cellules, sont constituées généralement de pièces soudées, pouvant être le siège de fuites parfois importantes, compte tenu du fait que les soudures sont disposées de telle sorte qu'elles se trouvent soumises à des gradients thermiques élevés. La présente invention permet de remédier à de tels inconvénients. Elle a pour but une cellule de refroidissement permettant d'utiliser au mieux l-es propriétés réfrigérantes du métal liquide qu'elle met en oeuvre, ladite cellule présentant une structure et une çonception particulièrement simples ainsi qu'une grande facilité de réalisation associées à un prix de revient modique et à une fiabilité élevée. L'invention a pour objet une cellule de refroidissement d'une pièce soumise à un flux thermique, constituée par au moins un tube acheminant un métal liquide caloporteur et comportant une partie d'échange thermique présentant une forme ainsi que des dimensions adaptées à celles de ladite pièce, caractérisée par le fait que -ladite partie d'échange thermique présente une section d'écoulement du métal liquide déterminée en fonction de la quantité de chaleur à éliminer ainsi qu'une épaisseur de paroi de la surface recevant ledit flux thermique la plus mince possible, de telle sorte que le gradient de température entre ladite surface recevant le flux thermique et la veine de métal liquide s'écoulant à l'intérieur de la partie d'échange thermique soit réduit à une valeur minimale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit donnée à titre d'exemple purement illustratif mais nullement limitatif en référence aux dessins et schémas annexés dans lesquels - la figure 1 représente un circuit de refroidissement à métal liquide mettant en oeuvre une cellule selon l'invention, - les figures 2a et 2b représentent un premier mode de réalisation d'une cellule de refroidissement à métal liquide selon l'invention, - la figure 3 représente un deuxième mode de réalisation d'une cellule de refroi dissement à métal liquide selon l'invention, - la figure 4 représente, à titre d'exemple d'application, une filière mettant en oeuvre une cellule de refroidissement à métal liquide selon l'invention, - la figure 5 précise certains détails de la figure 4. On a représenté, figure 1, un circuit de refroidissement à métal liquide comportant essentiellement une cellule 1 selon l'invention, représentée schématiquement, disposée au contact de la pièce à refroidir 2 soumise à un flux thermique indiqué par les flèches F. Le métal liquide tel que du sodium ou un alliage de métaux alcalins est acheminé depuis la cellule 1 en continu dans le sens des flèches F' au moyen d'une pompe électromagnétique 3 , il traverse un refroidisseur 4 auquel il cède les calories fournies par la pièce 2, avant d'être à nouveau acheminé vers la cellule 1. Un tel circuit comporte par ailleurs, un réservoir d'expansion 5 permettant la libre dilatation du métal liquide mis en oeuvre.Il faut noter qu'un tel circuit est rigoureusement étanche et à l'abri de l'air, un tel résultat étant obtenu notamment par l'utilisation avantageuse de la pompe électromagnétique 3. Les figures 2a et 2b représentent un premier mode de réalisation de la cellule de refroidissement 1 à métal liquide selon l'invention. Une telle cellule est obtenue à partir d'un tube 10 relativement mince que l'on aplatit en Il (figure 2al, de façon à réaliser la partie d'échange thermique recevant le flux F. On procède ensuite à l'amincissement par tout moyen approprié de la paroi de la surface 12, (figure 2b), soumise au flux thermique', la partie enlevée étant représentée en traitstiretés. De la sorte, il est possible d'obtenir d'une part une veine de métal liquide dans paroi 1, de hauteur H, determinée par calcul thermique et d'autre part, un gradient de température entre la surface 12 et la veine de hauteur H présentant une valeur minimale Une telle cellule permet donc d'utiliser au mieux les capacités calorifiques des métaux liquides et en cJnséquence de retirer de très grandes -quantités de chaleur par unité de surface, d'où- il résulte qu'une telle cellule assure un coefficient de transfert particulièrement élevé. Par ailleurs, cette cellule ne présente aucune solution de continuité dans son épaisseur, ce qui assure une étanchéité absolue. La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation de la cellule de refroidissement 1 à métal liquide selon l'invention. Une telle cellule comporte deux tubes 20 et 21, emmanchés l'un dans l'autre et soudés par leurs extrémités en 22 et 23. Le tube interne 21 présente une épaisseur prédéterminée en fonction des gradients de pression auxquels il est soumis, tandis que dans le tube externe 20, on a réalisé une fenêtre 24 délimitant la surface recevant le flux thermique F. On réalise ensuite la partie d'échange thermique par aplatissemnt de la portion correspondante desdits tubes et te, à la manière précédemment décrite.Il faut noter que dans cet exemple de réalisation, les cordon; de soudure 22 et 23 sont disposés à une certaine distance de la fenêtre 24, de telle sorte que les gradients thermiques auxquels ils se trouvent soumis ne peuvent en aucun cas leur être préjudiciable. On a représenté, figure 4, à titre- d'exemple d'application, une filière mettant en oeuvre une cellule de refroidissement à métal liquide selon l'invention. Cette filière comprend une pièce massive 30 dans laquelle on a ménagé un évidement 31- recouvert d'une telle 32. Par ailleurs, on a disposé à l'intérieur dudit évidement 31 un serpentin 33 constitué par un tube mince aplati et continu, disposé au contact de la tale 32, parcouru par du métal liquide, le contact thermique entre les spires ainsi réalisées étant assuré au moyen de métal liquide remplissant également l'évidement 31. La figure 5 permet de préciser la structure du serpentin 33. On voit que celui-ci est disposé au contact de la tôle 32 par l'intermédiaire d'une surface 34 destinée à recevoir lo flux thermique F, provenant du matériau filé, - ladite surface présentant une épaisseur de paroi plus faible que la partie résiduelle. Une telle structure de filière est de beaucoup préférable aux structures conventionnelles, dans lesquelles des.risques de--fuites. sont-toujours à envisager. La cellule de refroidissement, objet de l'invention peut être utilisée dans tous les cas où le refroidissement d'un organe soumis à un flux thermique important doit être efficacement réalisé au moyen d'un métal liquide, et ce, sans le moindre risque de fuite dudit métal. il peut être utilisé dans de nombreux domai nes industriels, et notamment dans l'industrie nucléaire. Des applications particulièrement intéressantes peuvent être le refroidissement de cibles bombardées par rayonnements ou par flux thermique, comme par exemple dans le cas de tubes générateurs de rayons X, ou des cibles d'accélérateurs pour émission de neutrons. Bien entendu, l'invention n'est nullement limite aux modes d'exécution décrits et représentés, qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, on peut, sans sortir du cadre de l'invention, apporter des modifications de détail, changer certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS lX Cellule de refroidissement d'une pièce soumise tin flux thermique, constituée par au moins un tube acheminant un métal liquide caloporteur, et comportant une partie d'échange thermique présentant d'une part une forme ainsi que des dimensions adaptées à celles de ladite pièce, et d'autre part une section d'écoulement du métal liquide déterminée en fonction de la quantité de chaleur à éliminer, caractérisée par le fait que la paroi de la surface recevant ledit flux thermique est amincie, de telle sorte que le gradient de température entré ladite surface recevant le flux thermique et la veine de métal liquide s'écoulant à l'intérieur de ladite partie d'échange thermique soit réduit à une valeur minimale. 2/ Cellule selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite partie d'échange thermique est réalisée par aplatissement d'un tube et amincissement de la paroi de la surface recevant le flux thermique. 3/ Cellule selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comporte deux tubes emmanchés l'un dans l'autre, le tube interne présentant une épaisseur prédéterminée en fonction des gradients de pression, tandis que le tube externe est muni d'une fenêtre délimitant ladite surface recevant le flux thermique. 4/ Cellule selon la revendication 3, caractérisée par le fait que lesdits tubes sont solidarisés par soudage de leurs extrémités avant aplatissement de ladite partie d'échange thermique. 5/ Circuit de refroidissement comportant une cellule selon l'une des revendications I à 4.