Brevet FR2298825A1 — publié le 19760820

La présente invention est relative à un procédé d'adaptation de la résistance thermique du milieu de transfert de la puissance excédentaire d'un système thermique. Nous prenons en exemple les convertisseurs d'énergie thermique en énergie électrique, qui comportent dans leur forme la plus simple, une paire d'electrodes, à savoir un émetteur et un collecteur électriquement isolés l'un de l'autre,ltespace interélectrodes étant fermé de façon étanche. Lorsque l'metteur est chauffé au moyen d'une source de chaleur, qui peut être par exemple une source à combustible nucléaire, il émet des électrons qui sont captés par le collecteur. Il apparat alors entre ltémetteur et le collecteur une tension électrique pouvant être appliquée à une charge convenablement adaptée, fournissant ainsi une énergie électrique. Dans l'état actuel, il est bien connu de faire fonctionner ces convertisseurs en présence d'une atmosphère intérieure faite d'un gaz ou d'une vapeur ionisable telle que la vapeur de césium. Cette vapeur, grâce à son état ionisé, augmente considérablement l'énergie disponible à la sortie des convertisseurs en abaissant le travail de sortie des électrons de 11 émetteur et du collecteur d'une part, et en neutralisant la charge d'espace entre les électrodes d'autre part. On assemble en série de tels convertisseurs (par exemple trois) que l'on place dans une même enceinte de façon à former des barreaux qui permettent un refroidissement commun des collecteurs et qui présentent un certain progrès par rapport à la mise en série pure et simple d'éléments indépendants. On sait que le fonctionnement d'un convertisseur thermoélectronique implique la nécessité de pouvoir évacuer entre le collecteur et la source froide le flux thermique non converti, 2 ctest-à-dire un flux de l'ordre de 30 watts par cm de collecteur entre des températures comprises entre 6000C et 500C. De plus, pour faire fonctionner le convertisseur-à différents régimes thermiques au rendement optimum, il faut ajuster la température du collecteur. D'où la nécessité d'une variation de la résistance thermique du milieu séparant les sources chaude et froide, à température de cette dernière constante et en général proche de la température ambiante. Lors de l'assemblage d'un barreau de convertisseurs, on dispose les composants dans une gaine métallique en laissant subsister un très faible espace radial entre les collecteurs et la gaine pour permettre la présence d'une lame de gaz. Ensuite, la gaine est rendue étanche pour clore l'espace mentionné. Jusqu 'à présent, les variations de 3 à 30 torrs de la pression de cette lame de quelques dixièmes de millimètres d'hélium (à froid) assurent les variations de la conductivité thermique permettant d'évacuer du collecteur (source chaude) vers la gaine (source froide) des flux thermiques compris entre 5 et 40 watts/cm2, tout en maintenant la température des collecteurs à la valeur optimum. Toutefois la nécessité de cet espace radial de très faible épaisseur dans un barreau de convertisseurs pose des problèmes mécaniques difficiles. A titre d'exemple, un barreau formé de trois convertisseurs élémentaires d'un diamètre de 23 mm, mesure environ 400 mm de longueur. Pour créer une lame d'hélium de 4/10ème de mm, il faut installer une gaine de 23,8 mm de diamètre sur cette même longueur. Il est donc nécessaire d'obtenir un barreau et une gaine pratiquement sans flèche et de centrer ces deux éléments l'un par rapport à l'autre avec un défaut de- concentricité inférieure à 5/100ème. Cette solution permet une régulation de température mais reste du domaine du laboratoire. Un but de l'invention est de conserver cette régulation de température tout en augmentant les dimensions de la lame de gaz. Cette régulation est réalisée par l'adaptation de la résistance thermique d'un tel milieu de transfert entre sources chaude et froide, qui est soumis - d'une part sûrement à une condition d'évacuation thermique traduite par une loi reliant le flux thermique et généralement la température de source chaude. - d'autre part le plus souvent à des conditions de réalisation mécanique essentiellement exprimées par les dimensions du milieu dont par exemple l'épaisseur. L'invention propose un procédé d'adaptation de la résistance thermique de ce milieu de transfert remarquable en ce qu'on aménage entre une source chaude et une source froide un espace rendu étanche au vide, comportant une structure solide homogène s'appuyant sur les surfaces limitant cet espace et assurant - une conductivité thermique minimale quasi fixe, - une distance acceptable entre source chaude et source froide - une porosité ou perméabilité suffisante pour maintenir la phase gazeuse nécessaire à la variation de la conductivité audelà du seuil de conductivité obtenu par la seule présence de la structure solide. L'invention s'applique donc à un convertisseur thermoélectronique mettant en oeuvre le procédé mentionné plus haut et remarquable en ce que la gaine et les collecteurs desdits convertisseurs sont séparés par une structure métallique perméable à une lame de gaz de même épaisseur. On isole électriquement au moins l'une desdites sources du milieu de transfert. Suivant un mode de réalisation, la structure est un tissage métallique ou réfractaire, compatible avec le niveau de température atteint, à mailles plus ou moins serrées selon le seuil de conductivité thermique à respecter, et dans des épaisseurs imposées par le système. Suivant un autre mode deIréalisation, la structure peut etre composée d'éléments géométriquement semblables (sphères par exemple) dans des matériaux métalliques ou réfractaires avec les memes impératifs que précédemment. Suivant un dernier mode de réalisation, le tissage métallique est un tamis métallique formé en tube dont les saillies internes et externes réalisent des points de contact multiples d t uns part sur les collecteurs et d'autre part sur la gaine. Ce mode de mise en oeuvre est rendu possible par l'utilisation de tamis métalliques de structures homogènes fabriqués dans l'industrie en diverses épaisseurs et porosités ainsi qu'en métaux de différentes natures (par exemple en acier inoxydable). On réalise ainsi des lames de gaz, en l'occurrence avec de l'hélium, d'épaisseur égale à celle de la structure métallique perméable, c'est-à-dire du tamis, la variation de pression du gaz assurant toujours la variation de conductivité thermique et par conséquent la régulation de la température des collecteurs. Par suite de la présence du tamis,le meme volume d'hélium peut être retrouvé dans un espace plus grand. La description se rapporte à des exemples de réalisation non limitatifs décrits avec références aux dessins dans lesquels la figure 1 illustre une coupe longitudinale d'un convertisseur thermo-électronique auquel s'applique le procédé et comportant le perfectionnement suivant l'invention - la figure. 2 est un détail de réalisation de la figure 1; - les figures 3 et 4 sont des courbes servant à montrer la nécessité d'une régulation de température. Sur la figure 1, le repère général 1 désigne l'ensemble d'un barreau comprenant par exemple trois convertisseurs thermoélectroniques élémentaires, repère 3 contenus,dans une enceinte étanche métallique ou gaine 2 refroidie par une circulation d'eau extérieure (non figuré). Dans l'exemple choisi chaque convertisseur élémentaire 3 comporte un cermet 4 de combustible fissile , un émetteur 5 et un collecteur 6. Un espace annulaire 7 est réservé entre chaque collecteur 6 et la surface intérieure de la gaine 2. Un collecteur tel que 6 représente la source chaude et la gaine 2, la source froide, espace 7 est occupé par une lame d'hélium. Comme indiqué précédemment le rendement optimum (n opt.) d'un convertisseur thermoélectronique est obtenu pour une température optimale (Tc opt.) de son collecteur en fonction du flux thermique ( m ) non converti et qu'il faut obligatoirement évacuer. La relation entre Tc opt. et le flux est donnée par la courbe (fig. 3). En ne retenant pour ce flux que son transfert par conduction, de la source chaude (collecteur 6) vers la source froide (gaine 2), on peut écrire d'une façon générale et simplifiée Tc - TF = z R (1) égalité dans laquelle Tc = température de la source chaude (collecteur 6) TF = température de la source froide (masse thermique constante représentée par la gaine 2). R = résistance thermique du milieu 8 séparant Tc et TF = = flux thermique. On constate que pour réaliser la condition Tc opt. = f ( g ) il faut adapter la résistance thermique du milieu 8 séparant la source chaude et la source froide à une valeur telle que R = Tc opt. - TF (2) La résistance thermique R a pour expression dans le régime simplifié choisi précédemment et par unité de surface (3) avec e = épaisseur du milieu \ = conductivité thermique du milieu. Après avoir fixé l'épaisseur e de l'espace 7, seule la conductivité A permettra la nécessaire variation de la résistance pour l'adaptation. Cette variation est assurée par celle de la pression d'hélium. En effet, si l'on admet la constante de X en fonction de la température, on peut représenter R suivant la courbe de la figure 4 pour satisfaire l'égalité (2). Dans un but de simplification on peut considérer que ) A par la pression d'hélium. Suivant le procédé de l'invention on associe à la phase gazeuse de l'espace 7 une phase solide pour réaliser un milieu de transfert qui assure aux dimensions ainsi atteintes l'évacuation thermique à la température optimum du collecteur. Le milieu de transfert formé dans l'espace 7 comporte de nombreux points de contact entre le collecteur 6 et la gaine 2. Suivant un mode de réalisation de l'invention, le milieu de transfert comporte une structure métallique réalisée par un tamis 9 (fig. 2) en forme de tube dont le fil de trame formant les saillies 9a, 9b s'appuie d'une part sur le collecteur 6 et d'autre part sur la gaine 2. Le tamis 9 peut être fabriqué à partir de toiles métalliques de structure homogène produites par l'inductrie en diverses épaisseurs et porosités et dans des métaux de différentes natures (par exemple acier inoxydable). L'isolement électrique entre le collecteur 6 et le tamis 9 peut entre avantageusement réalisé par une couche d'alumine 10 appliquée sur la surface externe du collecteur 6. On pourrait également appliquer cette couche d'alumine sur la surface interne de la gaine (non figuré). Le mode de tissage (trame et chaîne) du tamis 9 assure la perméabilité indispensable à la présence de la lame de gaz, en I'occurence de l'hélium, présente dans l'espace 7 (milieu de transfert). Le grand nombre de saillies 9a, 9b du tamis 9 réalise des points de contact thermique également répartis à l'unité de surface et assurerait en l'absence de gaz une conductivité minimale fixe, l'adaptation étant obte-nue par la phase gazeus-e. Les avantages mécaniques et thermiques obtenus par l'introduction du tamis sont les suivants - tolérances de fabrication plus larges du fait d'un espace annulaire porté au moins à 1 mm et d'une flèche de 0,2 mm au lieu de 0,05 mm admise entre collecteur et gaine. - centrage automatique de 11 empilage formé par les convertisseurs élémentaires dans la gaine gracie au tamis qui se comporte comme un matelas entre les collecteurs et la gaine. - autorégulation légère de la température par l'élasticité du tamis. (Si la température du collecteur augmente, ce dernier se dilate et comprime le tamis, ce qui améliore les contacts thermiques par points et tend à diminuer la résistance thermique vers la source froide). REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation de la conductivité thermique du milieu de transfert d'un système thermique, caractérisé en ce que l'on adapte la résistance thermique de l'espace compris entre la source chaude et la source froide en installant dans ledit espace un milieu de transfert qui associe à la phase gazeuse d'une lame de gaz, également contenue dans ledit espace, une phase solide, de façon à régulier l'écart- de température entre lesdites sources. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on assure une conductivité thermique minimale quasi fixe dudit espace par les points de contact du milieu de transfert entre la source chaude et la source froide. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la phase gazeuse est constituée par de l'hélium. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la phase gazeuse est un mélange de gaz. 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le système thermique est un barreau de convertisseurs thermo-électroniques dont la source chaude est le collecteur et la source froide la gaine. 6. Convertisseur thermo-électronique du type à barreau formé de plusieurs convertisseurs élémentaires, disposés dans une même enceinte étanche métallique, mettant en oeuvre le procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la dite enceinte et les collecteurs desdits convertisseurs sont séparés par une structure métallique perméable à une lame de gaz de même épaisseur. 7. Convertisseur suivant la revendication 6, caractéri sé en ce que ladite structure est un tamis métallique. 8. Convertisseur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le tamis métallique est en forme de tube dont les saillies internes et externes réalisent des points de contact multiples d'une part sur les collecteurs et d'autre part sur l'enceinte. 9. Convertisseur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'on isole électriquement ladite structure et les collecteurs par un revêtement isolant à base d'alumine. 10. Convertisseur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la lame de gaz contenue dans la structure métallique perméable est de l'hélium.