Brevet FR2312751A1 — publié le 19761224

La présente invention concerne les caloducs. Les caloducs ou les dispositifs analogues utilisent des cycles évaporation-condensation en circuit fermé pour transporter de la chaleur entre un point d'apport de chaleur et un point d'évacuation de chaleur, en employant une structure capillaire, ou mèche, pour le retour de la vapeur condensée. Ces dispositifs consistent généralement enture enceinte ferme pouvant avoir une forme ou une géométrie quelconque. Les premiers caloducs se présentaient sous la forme d'un tube fermé aux deux extrémités, mais ce terme s'applique à des dispositifs de géométrie quelconque, con çus pour fonctionner de la manière indiquée ci-dessus. Dans un caloduc, l'air ou les autres gaz non condensables sont généralement extraits de la cavité interne de l'enceinte. Toutes les surfaces intérieures sont revêtues avec une structure capillaire ou mèche. La mèche est saturée d'un fluide qui se trouve en phase liquide à la température normale de fonctionnement du dispositif. L'espace libre de la cavité contient alors de la vapeur du fluide, à une pression correspondant à la pression de vapeur saturante du fluide caloporteur à la température du dispositif. Si l'enceinte est soumise à un apport de chaleur en un point quelconque, l'augmentation résultante de température augmente la pression de vapeur saturante du fluide caloporteur, ce qui produit une évaporation du liquide. La vapeur ainsi formée est à une pression supérieure, et circule donc vers les parties plus froides de la cavité de l'enceinte, et se condense sur les surfaces plus froides de la paroi intérieure de l'enceinte.Le liquide condensé retourne vers les régions d'apport de chaleur sous l'effet de la capillarité. Du fait que la chaleur de vaporisation est absorbée au cours du changement de phase liquide-vapeur, puis est libérée au moment de. la condensation de la vapeur, il est possible de transporter de grandes quantités de chaleur avec de très faibles gradients de température entre les régions d'apport de chaleur et les régions d'évacuation de chaleur. De nombreuses applications des caloducs nécessitent à la fois une capacité élevée et une conductance variable, obtenues à l'aide d'un gaz non condensable. Pour obtenir des capacités élevées, on utilise généralement une mèche ayant une structure en canaux. Cependant, la présence de gaz augmente encore les difficultés relatives au remplissage des canaux, et au maintien des canaux à l'état rempli, en particulier lorsqu'on utilise un fluide à haute pression comme l'ammoniaque. La cavitation ne créant pas de difficultés avec les fluides à basse pression, il est possible de réaliser des caloducs fiables à commande de conductance par gaz non condensable, et a mèche formée par une structure en canaux, en utilisant du méthanol comme fluide caloporteur. Ces caloducs présentent des capacités axiales de transport de chaleur de l'ordre de 12,5 à 17,5 kW-cm, et ces capacités sont limitées par les propriétés thermodynamiques médiocres du méthanol en association avec les contraintes liées au mécanisme de remplissage. Pour obtenir des capacités supérieures, comme il est nécessaire dans de nombreuses applications;il faut utiliser de 1' ammoniaque comme fluide caloporteur. Cependant, la pression élevée de l'ammoniaque aux températures d'utilisation engendre dans les caloducs des fluctuations de pression suffisantes pour produire des phénomènes de cavitation dans les canaux, ce qui nuit à leur remplissage. La taille de pores optimale d'une mèche ayant des pores de taille uniforme correspond au double de la pression gravita tonnelle Une mèche ayant des pores dont la taille varie de façon définie doit avoir des pores de taille infiniment petite à l'extrémité d'évaporation. En faisant varier la structure de la mèche de façon à ce que la taille des pores diminue entre l'extrémité de condensation et l'extrémité d'évaporation du caloduc, on peut améliorer notablement la capacité de transfert de chaleur par rap-port aux mèches ayant une structure ne comportant pas de canaux, et ayant une taille de pores uniforme (structure homogène).Du fait que la résistance de la mèche à la circulation du fluide est approximativement inversement proportionnelle au carré de la taille des pores, tandis que la pression de pompage capillaire varie de façon inversement proportionnelle à la taille des pores, une mèche idéale devrait avoir, en chaque position axiale, une taille de pores aussi grande que possible, tout en demeurant suffisamment faible pour soutenir les efforts locaux qui s'exercent sur le liquide. Ces efforts dépendent de la gravité, dans un champ de gravitation, et des pertes de charge de l'écoulement, si bien que les pores de plus faible taille ne se trouvent pas nécessairement à l'extrémité d'évaporation, à moins que cette extrémité corresponde également au point le plus haut. Une analyse préliminaire des propriétés d'une mèche ayant une structure capillaire présentant une variation idéale de la taille des pores montre qu'une telle mèche a une capacité de transfert axial de chaleur qui est presque dix fois (r2) 9upériee re à celle qu'on peut obtenir avec des mèches ayant une ré partition axiale uniforme de la taille des pores. L'invention sera maintenant décrite plus en détail en se référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une vue latérale du caloduc de l'invention, partiellement arrachée pour montrer la position et la variation progressive de taille de la mèche sur la longueur du caloduc La figure 2 est une coupe selon la ligne 2-2 de la fi gure 1 et La figure 3 est une représentation graphique de l'augmentation de l'inverse de la taille de pores de la mèche, sur la longueur du caloduc. On se réfèrera maintenant à la figure 1 qui représente un caloduc 1, comportant des gorges circonférencielles 2 sur toute sa longueur. Une mèche 3, ne comportant pas de canaux, est constituée par une structure poreuse dont la densité en volume augmente à partir de l'extrémité d'évaporation, soumise à un apport de chaleur, jusqu'à l'extrémité de condensation à laquelle la chaleur est évacuée. I1 est très souhaitable que la variation de taille des pores s'accompagne d'une variation minimale de la densité en volume. La figure 2 est une coupe selon la ligne 2-2 de la figure 1. Cette coupe du caloduc 1 montre un mode de réalisation par ticulier de la mèche 3 en éponge métallique, et de la chambre de vapeur 4. Le fluide caloporteur contenu dans la chambre de vapeur 4 se condense sur les parois intérieures et est transporté autour de la partie intérieure du caloduc 1 par effet de capillarité dans les gorges2. Le fluide caloporteur est ensuite transporté par capillarité à travers la mèche 3 et se vaporise au niveau de la surface chauffée de la mèche. La vapeur retourne dans la partie la plus froide du caloduc et se condense à nouveau sur les parois, puis le cycle se répète. lie figure 3 représente une vitesse caractéristique de variation de l'inverse de la taille de pores de la mèche, sur la longueur du caloduc. Bien que le dessin donné à titre d'exemple montre une variation de densité en volume de l'ordre de 3,5 unités pour 20 unités de longueur du caloduc, la vitesse de variation peut être augmentée ou diminuée,en fonction des caractéristiques de fonctionnement requises. - En général, une diminution de la taille de pores d'une mèche augmente la pression capillaire maximale que la mèche peut engendrer, mais diminue la perméabilité.Dans le cas d'une mèche conçue pour obtenir une variation de porosité optimale, c'est-à- dire la vitesse maximale de transfert de chaleur, la taille des pores en un point quelconque n'est pas inférieure à la valeur suffisante pour supporter la différence de pression vapeur-liquide en ce point. Au contraire, dans le cas d'une mèche homogène ne pré- sentant pas de variation de porosité, la taille des pores est inutilement inférieure à la valeur nécessaire pour supporter la différence de pression vapeur - liquide, en tous points sauf à 1' extrémité d'évaporation. I1 en résulte une résistance à l'ecoule- ment inutilement élevée, et une faible vitesse maximale de transfert de chaleur.Une formule approchée permettant de prévoir le rapport R entre la vitesse maximale de transfert de chaleur en l'absence de forces de gravitation pour une mèche à variation de porosité optimale, ayant une porosité variant de QI. à ft i f' et la vitesse maximale de transfert de chaleur dans les mêmes conditions pour une mèche homogène de porosité h' est donnée par l'expression R = X în 1 - vec f i ; 1,0. Les mèches des caloducs correspondant à l'invention sont réalisées avec de l'éponge métallique fabriquée par a firme Cal-Metex Corporation,Inglewood, Californie,E.U.A.. Le métal utilisé peut être l'un quelconque des métaux utilisés habituellement pour la fabrication d'éléments structuraux,comme le cuivre l'acier inoxydable, l'aluminium ou des alliages de ceux-ci, pour ne citer que les plus courants. L'éponge métallique peut être fabriquée par différents procédés, par exemple par tissage ou feutrage d'un fil métallique de section circulaire, ou par empilage d'un ruban plat ondulé , et d'autres procédés apparaîtront à 1' homme de l'art. La quantité d'éponge métallique utilisée par unité de longueur est définie de façon à ce que la porosité de la mèche varie d'une manière prédéterminée.Une mèche peut être par exemple constituée par des fibres d'un diamètre deO,02mm, avec une por sité variant entre 0,87 à l'extrémité de condensation et 0,50 à l'extrémité d'évaporation. Ainsi, en prenant h = ff de façon à ce qu'une mèche homogène et une mèche de porosité variant progressivement présentent la même pression capillaire maximale à l'extrémité d'évaporation, le rapport des capacités de transfert est de 2,7 si l'on a f = 0,5 et i = 0,87. Pour une mèche homogène typique utilisant de l'ammoniaque à 21 OC, on a une capacité de transport de chaleur de l'ordre de 10,7 kW-cm, tandis que cette capacité est égale à 28,7 kW-cm dans le cas d'une mèche de porosité variable de même section. I1 va de soi que de nombreuses modification peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Caloduc comprenant une paroi munie d'une structure capillaire, et une mèche s'étendant le long de cette Paroi, caractérisé en ce que la mèche a une taille de pores variable. 2. Caloduc selon la revendication 1 caractérisé en ce que la mèche présente une variation de la taille des pores dans la direction axiale. 3. Caloduc selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la taille des pores de la mèche diminue à partir de l'extrémité de condensation du caloduc. 4. Caloduc selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une mèche formée par une structure sans canaux et comportant des pores dont la taille varie de façon progressive.