Brevet FR2337483A1 — publié le 19770729

La présente invention a trait aux composants à forte puissance de dissipation admissible par transfert de chaleur. Elle concerne plus particulièrement parmi ces composants, un condensateur fixe de forte puissance fonctionnant dans une enceinte constituant un moyen de réfrigération qui permet d'augmenter notamment sa puissance réactive maximale. L'invention se situe principalement, mais non exclusivement, dans le domaine des composants servant à l'émission. Parmi ces composants on peut citer, par exemple, des résistances de charge, des inductances et des condensateurs, et parmi ces derniers en particulier les condensateurs à diélectrique céramique. Il est connu que l'échauffement est produit par effet Joule dans les composants autres que les condensateurs; les causes internes des échauffements des condensateurs sont de deux ordres à savoir - les pertes diélectriques qui sont proportionnelles à la puissance réactive à la fréquence de travail considérée, et les pertes par effet Joule se produisant dans les armatures et les connexions du condensateur aux fréquences élevées qui engendrent un échauffement du diélectrique. T'augmentation de la puissance réactive admissible sans échauffement destructif présente des difficultés et c'est le problème de refroidissement et les solutions connues qui seront considérés ci-après. Actuellement il existe deux modes de refroidissement de condensateur de puissance à diélectrique céramique, l'un étant un refroidissement par convection naturelle ou à air forcé, et l'autre étant un refroidissement par circulation forcée d'un fluide caloporteur, généralement d'eau, permettant d'évacuer la chaleur produite dans le condensateur. Dans le premier cas les calories produites sont évacuées de la surface du condensateur, par un exemple du type assiette, par convection naturelle ; par ailleurs la puissance réactive admissible est multipliée par deux en établissant autour et à l'intérieur d'un condensateur tubulaire une circulation forcée d'air dont la vitesse de déplacement est supérieure à 3m/s. lorsque le refroidissement s'effectue par circulation forcée d'eau à l'intérieur d'un condensateur tubulaire, la puissance réactive admissible est multipliée par un secteur de l'ordre de huit à douze. Dans un tel cas, le refroidissement s'effectue que d'un seul côté de la paroi du diélectrique et il existe donc un gradient de température dans la céramique et la dissymétrie de refroidissement qui en résulte est compensée alors par une large plaque de dissipation de chaleur montée sur la connexion de l'armature extérieure. Le condensateur, en raison des contraintes thermiques importantes notamment aux points chauds, risque d'éclater et de ce fait le fluide réfrigérant arrivant sous pression sera répandu et provoquera de graves perturbations dans les circuits électriques associés. Dans l'art connu utilisant les moyens technologiques actuels, un condensateur céramique de puissance refroidi par une circulation forcée d'eau et ayant une valeur de capacité de 5000 pF par exemple a sa puissance réactive maximale limitée à 3500 kvar. Par ailleurs, dans les dispositifs frigorifiques il est connu d'utiliser la circulation d'un fluide réfrigérant tel que dichlorodifluorométhane ayant un point de fusion vers 1580 C et une température d'ébullition vers 300 C, comme c'est le cas d'un dérivé d'hydrocarbure connu sous l'appellation de "FR#ON" 12 (marque déposée) tout autre réfrigérant ayant des caractéristiques convenables pour le transfert de chaleur est également utilisable. De même, en addition aux moyens sus-mentionnés, il faut également indiquer l'existance d'un dispositif de transfert de chaleur par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur, ce fluide passant entre deux parties du dispositif d'un premier état en un autre état dans la première partie et revenant ensuite au premier état dans le seconde partie, les changements d'état étant accompagnés d'échanges de chaleur. Un tel dispositif est connu en France sous la désignation de caloduc et dans la littérature anglo-saxone sous la désignation de "heat pipe", dont le principe a été exposé dans les brevets américains 2 350 348 et 2 448 251 par Richard S. GAUGLER en 1942 et passé en revue dans un article publié en Mai 1968 dans "Scientific American" par G. Yale Eastman de R.C.A. Dans les applications conventionnelles, la paroi externe de la partie réfrigérante d'un caloduc est associée à un dispositif dissipateur de chaleur, par exemple des ailettes. Dans une telle utilisation, en tant qu'un dispositif de refroidissement, 11 énergie calorifique à évacuer est transmise à travers une paroi à l'intérieur d'une première partie, l'enceinte du caloduc et provoque l'évaporation du fluide caloporteur qui s t y trouve, ce fluide se déplace à l'état de vapeur dans une autrecpartie de l'enceinte constituant une zone froide utilisée en condensateur, des moyens de passage par capillarité sont prévus pour faciliter le transfert de chaleur entre les deux parties sus-mentionnées à l'intérieur de l'enceinte. De tels systèmes de caloducs sont décrits dans plusieurs articles publiés.Il est à remarquer que l'efficacité du système est limitée pricipalement par la résistance de la barrière thermique interposée entre le dispositif à refroidir et le fluide caloporteur, en d'autres termes pricipalement par la paroi de l'enceinte. Il est admis généralement que le flux radial d'énergie évacuée est de l'ordre de 2 à 4 Watts par cm2, le flux axial théoriquement accessible étant de l'ordre de plusieurs kilowatts. Il apparaît donc intéressant d'utiliser le moyen de refroidissement le plus performant dans le cas de refroidissement d'un composant tel qu'un condensateur fixe de puissance. Un objet de l'invention est d'obtenir un accroissement d'un facteur compris entre 10 et 100 de la puissance réactive maximale admissible pour un condensateur tubulaire à diélectrique céramique par l'utilisation d'an agencement du condensateur et du dispositif de transfert de chaleur. Selon une caractéristique de la présente invention un composant à forte puissance de dissipation admissible par transfert de chaleur utilisant un dispositif conducteur de chaleur, est principalement caractérisé en ce qu'un système caloduc est agencé pour comporter à l'intérieur de son enceinte étanche, en plus du fluide caloporteur et de structures capillaires, un composant susceptible d'atteindre et de dissiper une puissance calorifique élevée, ce composant étant refroidi par changements d'état dudit fluide contenu dans l'enceinte. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple, et illustrée par les figures qui représentent la figure 1, une vue schématique en coupe d'un composant à forte dissipation admissible par transfert de chaleur suivant une réalisation conforme à la présente invention la figure 2, une vue en coupe d'une réalisation différente de celle de la figure 1 ; et la figure 3, encore une autre variante de réalisation. L'ensemble des réalisations décrites ci-après concerne principalement un composant constitué par un condensateur fixe à diélectrique céramique susceptible de supporter de fortes puissances en fonctionnement ; un tel condensateur convient le mieux pour décrire et illustrer la présente invention par la variété de ses différentes caractéristiques. En effet il faut se rappeler qu'un condensateur de puissance d'émission est généralement caractérisé par sa présentation en forme de disque, d'assiette, de pastille, ou tubulaire et il est également caractérisé par sa valeur de capacité qui est habituellement comprise entre une dizaine de pF et 10 000 pF lorsqu'il est réalisé en diélectrique convenant au couplage et à la liaison de circuits ; de tels condensateurs sont utilisables avec des tensions continues et hautes fréquences appliquées comprises entre 1 et 30 kilovolts et avec une puissance réactive dissipée allant de 0,25 kvar à quelques 1500 kvar suivant sa réalisation mécanique, le mode de refroidissement par convection naturelle ou par celle de circulation forcée d'air, ou enfin celui de refroidissement par circulation forcée d'eau. Ces condensateurs sont en outre caractérisés par une constante g du diélectrique, une résistance d'isolement et une variation de capacité dépendant de l'échauffement du condensateur. En complément à ce qui a été dit précedemment au sujet du système caloduc, la description de celui-ci sera faite à l'aide des figures annexées. Sur les trois figures le caloduc est constitué d'une part par une enceinte étanche 3 comportant dans une première partie dite d'évaporation un fluide caloporteur 7 dans lequel plonge une structure capillaire formée par plusieurs toiles métalliques ou mèches 8, dont au moins une partie longe les parois 6 de l'enceinte 3 pour atteindre la partie froide de celle-ci. D'autre part, à l'extérieur de l'enceinte 3, le refroidissement de la partie froide est réalisé de manière conventionnelle par des ailettes de refroidissement 4. Le refroidissement par ailettes est remplaçable par une circulation forcée d'eau lorsqu'un effet frigorîgène plus important est souhaité. Comme il est connu, la chaleur reçue du côté chaud provoque l'évaporation du fluide caloporteur 7 dont le flux de vapeur se déplace dans le sens indiqué par la flèche 10 vers la partie froide munie d'ailettes de refroidissement ; cette vapeur est alors condensée et par effet de capillarité retourne par les structures capillaires 8 vers la masse du fluide caloporteur 7 suivant le sens indiqué par la flèche 11. Le pompage du fluide par capillarité de la structure capillaire 8 est un phénomène important et son efficacité dépend notamment de la finesse des mailles, ou des pores, qu'elle comporte ; les surfaces en contact avec les mèches sont irriguées par le liquide qu'elle transporte. C'est par exemple l'agencement du condensateur pris comme composant dans l'exemple décrit, et du système caloduc qu'on arrive à obtenir le résultat recherché par la présente invention pour réaliser un composant à forte puissance de dissipation admissible par transfert de chaleur. A cet effet, le composant à refroidir, dans le présent cas un condensateur fixe repéré par son diélectrique 1 et ses armatures 2, est disposé à l'intérieur de l'enceinte 3, contrairement à toutes les utilisations du système caloduc connues de la demanderesse. Les armatures 2 de chaque condensateur élémentaire sont constituées par une couche métallique respectivement déposées sur les faces opposées du diélectrique 1, sur chaque armature est soudée la structure capillaire 8 choisie, au moyen d'une composition de brasage qui permet une bonne liaison électrique entre le diélectrique 1, -la métallisation-armature 2, -la mèche 8. Le condensateur à refroidir est disposé à l'intérieur de l'enceinte 3 dans sa partie d'évaporation. Ce condensateur est constitué par un ou plusieurs condensateurs élémentaires, connectables entre eux en série, en parallèle ou en série-parallèle, montés sur un axe 9 supporté par les deux traversées étanches et isolantes 5 montées dans les parois 6 ; cet axe permet le passage des connexions de sortie ou constitue une des connexions, l'autre connexion étant directement réunie à la masse par exemple une paroi 6 lorsque l'enceinte 3 est en matériau métallique. En effet contrairement aux réalisations conventionnelles du système caloduc, la nature du matériau utilisé pour constituer l'enceinte est pratiquement indifférente, car sa conductivité thermique est sans importance du fait que le condensateur se trouve à l'intérieur de l'enceinte. La partie d'évaporation de l'enceinte 3 est remplie du fluide caloporteur 7. Pour composant électronique, fonctionnant à une température comprise entre 500 C et 2000 C, plusieurs fluides peuvent etre choisis en tenant compte plus particulièrement de la température d'évaporation, de la tension superficielle, de la densité du liquide, de la chaleur spécifique et de ses caractéristiques de condensation ; en outre, il y a lieu de tenir compte des propriétés diélectriques du fluide, en particulier, de sa rigidité dans les conditions de température et de la pression d'utilisation dans l'enceinte 3. Il est important de noter ici que, du fait du montage du composant à l'intérieur de l'enceinte disposé baignant au moins partiellement dans le fluide 7, ce fluide doit obligatoirement être isolant de manière à pouvoir supporter une différence de potentiel au moins égale à celle de la rigidité admise du diélectrique. Parmi les fluides réfrigérants utilisables, on trouve avantageusement l'hexhafluorure de soufre, ou un des dérivés d'hydrocarbure de la famille de "FRELONS" 11, 12, 13, 22 et 114, et de préférence "FREON" 12, fabriqués par DUPONT DE NEMOURS. Trois cas de réalisations préférées d'un agencement du condensateur et du système caloduc sont représentés sur les figures 1, 2 et 3 comme il a été indiqué, La figure 1 a été examinée et a montré le cas où une partie du condensateur élémentaire est en contact avec les fluides dont l'évaporation s'effectue par convection. La figure 2 diffère de la réalisation précédente par le fait que la totalité des deux condensateurs élémentaires baigne dans le fluide caloporteur 7 et que la structure capillaire longe trois parois de l'enceinte 3 ; dans cette réalisation, c'est le fluide 7 qui se refroidit et refroidit donc les éléments du condensateur ; l'évaporation se situe à la surface du fluide et non pas au niveau des surfaces chaudes des condensateurs. En ce qui concerne la figure 3, on remarquera que la structure capillaire 8 longe les trois parois de l'enceinte 3 comme dans la figure 2 et, en outre de telles structures, mèches 8, sont en contact avec les armatures 2 des condensateurs élémentaires comme dans le cas de la figure 1. On remarquera que les trois figures sont représentées à une échelle arbitraire. Sur le côté de l'enceinte 3 de la figure 3 est représenté schématiquement un moyen d'ajustage du volume intérieur. Un tel moyen est constitué par un diaphragme 12 réglable par un organe de réglage 13 permettant d'ajuster le volume interne de l'enceinte 3 dans la zone de son fonctionnement optimum. Ce moyen est réalisable également dans le cas des figures t et 2. D'autres remarques doivent etre faites. En raison de la présence du fluide caloporteur 7 la position normale de fonctionnement du composant de puissance sera celle représentée sur les figures, c'est-à-dire, le fluide à la partie inférieure, et. la partie froide à la partie supérieure ; le remplissage du fluide est réalisé après montage du condensateur et l'enceinte est ensuite rendue étanche. En fonctionnement le diélectrique 1 s'échauffe notamment par le passage du courant alternatif et le fluide 7 s'évapore, puis se condense sur la partie supérieure au niveau de jonction de la paroi 6 avec les ailettes 4 dissipatrices de chaleur et redescend ensuite vers la partie chaude constituée par le niveau inférieur de l'enceinte 3 soit par gravité, soit de préférence grace à une mèche 8 disposée le long des parois latérales.Descendu ce fluide refroidit le fluide caloporteur 7 ; le fonctionnement se poursuit en un cycle continu avec deux changements d'état successifs du fluide. L'évacuation des calories engendrées dans le diélectrique 1 est facilitée lorsque la distance à franchir est peu importante, il en résulte donc que le rendement thermique est d'autant plus intéressant que les plaques du diélectrique sont d'une faible épaisseur. Dans le cas d'utilisation de deux condensateurs élémentaires où une composante de tension continue est superposée à une tension alternative, les résistances d'équilibrages seront disposées et refroidies à l'intérieur de l'enceinte 3. Lorsque les caractéristiques du liquide réfrigérant le permet, il est également possible d'utiliser la résistivité de ce liquide comme résistance d'équilibrage. Dans les réalisations qui ont été faites on a relevé quelques températures d'utilisation comprises entre -55 C et + 850 C, la stabilisation thermique étant obtenue après un temps d'établissement d'environ 90 minutes, l'exploitation normale du composant étant immédiate. De plus lorsque le contenu de l'intérieur de l'enceinte est devenu isotherme la température se trouve être maintenue à une valeur sensiblement constante, et de ce fait la valeur de la capacité reste pratiquement inchangée. L'encombrement du système caloduc est réalisé aussi réduit que possible pour être compatible avec le volume nécessaire à son fonctionnement correct. Comme il a été indiqué du fait que le composant qui constitue la source de chaleur se trouve à l'intérieur de l'enceinte 3 les parois de celle-ci peuvent être réalisées en matériau métallique ou en isolant ; pour diminuer l'échauffement provoqué par l'environnement du système caloduc cette enceinte sera avantageusement réalisée avec les parois extérieures réfléchissantes par exemple par un poli extérieur, par une métallisation brillante, où par une peinture réfléchissante blanche. le composant à forte puissance réalisé conformément à l'enseignement donné par l'invention présente notamment les avantages suivants la résistance thermique entre le composant à refroidir et le fluide caloporteur est considérablement réduite, dans l'agencement réalisé le composant est au moins partiellement en contact avec le fluide L'enceinte du système caloporteur est réalisable en un matériau à à résistance thermique indifférent à condition de supporter sans danger le maximum de température atteint par le fluide, le coût d'une telle enceinte est faible L'aptitude de transfert thermique axial du système caloduc est utilisée dans les meilleures conditions Les faces du composant sont refroidies de manière identique dans le cas du condensateur fixe les deux faces ou parois du diélectrique se trouvent être refroidies de la même manière, limitant ainsi le gradient thermique dans l'épaisseur du diélectrique et, toujous dans le cas d'un condensateur en fonctionnement à à température constante, la capacité se trouve être stabilisée à la température atteinte après la stabilisation thermique. REVENDICATIONS 1. Composant à forte puissance de dissipation admissible par transfert de chaleur, utilisant un dispositif conducteur de chaleur comportant un système caloduc à fluide caloporteur et des structures capillaires, caractérisé en ce que ledit système caloduc est agencé pour comporter à l'intérieur de son enceinte étanche (3), en plus du fluide isolant caloporteur (7) et de structures capillaires (8), l'intégralité d'un composant (1 + 2) qui est susceptible d'atteindre et de dissiper une puissance calorifique élevée, ce composant étant refroidi par changements d'état dudit fluide contenu dans 11 enceinte, la surface extérieure de la partie froide de l'enceinte comportant des ailettes de refroidissement (4) et en ce que ledit fluide caloporteur (7) dans l'enceinte (3) baigne au moins partiellement ledit composant (i + 2) et lesdites structures capillaires (8). 2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué par un condensateur fixe à diélectrique céramique, ce condensateur étant constitué au moins par un élément formé par un diélectrique (1) et deux armatures (2). 3. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant est complètement plongé dans le fluide caloporteur (7). 4. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant est supporté par un axe (9) monté sur des traversées isolantes étanches (5) montées dans les parois (6) de l'enceinte (3), cet axe étant utilisable en connexions extérieures du composant. 5. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est de l'hexhafluorure de soufre. 6. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est constitué par un dichlorodifluorométhane. 7. Composant selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdites structures capillaires (8), disposées le long des parois (6) de enceinte (3) et le long des armatures (2), plongent partiellement dans le fluide (7), seules les structures (8) longeant les parois (6) étant en contact avec la partie condenseur du système caloduc. 8. Composant selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une des structures capillaires (8) est disposée en contact avec la partie condenseur, et est réunie auxdites structures (8), longeant les parois et est réunie, en outre, à d'autres structures (8) mises en contact avec les armatures (2) de chaque condensateur élémentaire. 9. Composant selon la revendication 3, caractérisé en ce que la structure capillaire (8) est disposée entre le fluide caloporteur (7) le long des parois (6) de enceinte (3) ainsi que de la zone refroidie du condenseur. 10. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte (3) est munie d'un moyen d'ajustement du volume interne de ltenceinte (3), ce moyen comportant un diaphragme déformable par l'action d'un organe de réglage (13). 11. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois de l'enceinte (3) sont réalisées en un matériau ayant des caractéristiques d'isolation thermique élevée.