Brevet FR2380520A1 — publié le 19780908

La présente invention a pour objet un dispositif assurant le dégazage d'un liquide dans les rainure a recouver- tes d'un système capillaire et séparées l'une de l'autre par des nervures le long de la face intérieure de tubes transmettant la chaleur et fonctionnant sous l'action d'un gaz, dits tubes thermiques Les gaz incondensables tels que l'azote, lshydroghne, l'hélium et l'argon peuvent être introduits intentionnelle meflt dans ces tubes transmettent la chaleur ou peut s'y dégager à la suite de réactions chimiques non désirr, ces gaz se rasseablent au cours du fonctionnement des tubes ther moques considérés dans la zone froide, sous effet de l'é- coulement de la vapeur, Lorsqu'on fait pénét@er des gaz incondensables lntentionnellement dans le tube the@mique, cela permet de faire varier la longueur de la zone de condensation et de modifier ainsi le transfert de chaleur, Les tubes de transmission de chaleur à commande galeuse prennent de plus en plus d'importance, surtout en ce qui concerne les voyages dans l'espace, grâce à ce qu'ils sont capables de conserver entre des limites de température rapprochées s la chaleur fluctuante produite par les sources de chaleur telles que des constituants électroniques. Du fait que la limite de l'énergie fournie par des tubes thermiques à basse température (infrieure à 2000 C) est déterminée d'une manière décisive par la résistance à l'écoulement du liquide dans le système capillaire prévu, il faut avoir recours à un système capillaire à pores aussi fins que possible, ctest-à-dire, à effet capillaire élevé, présen- tant une résistance à I'écoulement aussi réduite que possible, un tel système capillaire est constitué par des artères fermées à leur extrémité dans la zone chaude et établi par exemple par ul réseau de fils méta@liques. 'effet capillaire est alors déterminé par la largeur de maille du réseau, tandis que la résistance à l'écoulement est définie i@dépendamment de cet effet par le diamètre des artères, En présence de gaz incondensables, il peut appa raitre dans les artères des bulles gazeuses qui ne peuvent plus en sortir puisque ces bulles sont entourées de tontes parts par une pellicule liquide qui ferme les pores des ar stères, Lee bulles gazeuses cheminent alors avec le courant liquide vers la zone chaude où elles s'opposent à tout transfert ultérieur de liquide dans les artères, ce qui peut en tramer un arret du fonctionnement du tube thermique, à moins que l'on ne réussisse à éliminer très rapidement les bulles gazeuses des artères, Cet effet est quelque peu comparable aux embolies provoquées par l'air dans les système capillaires biologiques, Les artères courantes, telles qu'on les utilise dans les tubes thermiques à commande gazeuse sont disposées dans le volume intérieur recevant la vapeur et ne sont reliées à la paroi chauffée du tube que par des passages étroits pour le transfert du liquide, On n'a pas trouvé, jusqu'à présent, de procédé sii- ple, pratique et fiable permettant d'obtenir d'une manière sûre l'élimination des bulles de gaz hors des artères, La publication de l'ATAA, article no 74-748-1974 (Coalescence des ménisques en tant que moyen d'élimination des gaz incondensables des tubes thermiques par J.E. Eninger) propose l'introduction dune feuille qui permet au gaz de s'échapper facilement d'une artère; il s'agit d'une feuille de succion, dite en an- glais "prining foilw. Cette feuille est disposde à l'extré- mité de l'artère dans la zene de chauffage et elle est assez mince pour qu'aucune pellicule liquide ne puisse se former ou se maintenir dans les pores, Ce procédé est coûteux, compliqué et sujet à dérangements et sa mise en oeuvre est onéreuse parce que la feuille à utiliser doit être très mince et être assujettie à l'artère, Cette feuille ainsi que le réseau capillaire peuvent donc être facilement endommagés. un autre procédé a été rendu public par la Dyeathem Corporation (M. Groll et J.P. Kirkpatrick) dans NASA-CR137 778 dt0ctobre 1975 (Artère assistée par une pompe à injection) et dans proceed. du 2e Cent, INt. des tubes thermiques (Bologne 1976) (Tubes thermiques pour réglage de la température-estimation de l'état de la technique), On @y a tent d'aspirer le gaz de l'artère suivant le principe de la pompe à injection d'eau à l'aide d'un dispositif encore plus com- pliqué et plus onéreux, La présente invention a pour objet d'établir U dispositif à l'aide duquel on peut obtenir une élimination ou une évacuation sare et sans aléas des bulles gazeuses présentes dans les artères es tubes thermiques à commande par gaz, ayant un débit élevé, lorsqu'on ne peut pas renoncer à l'uti- lisation de telles artères On a résolu le problème ainsi posé, en utilisant u système capillaire recouvrant les rainures intérieures du tube, qui soit bon conducteur de la chaleur, tandis qu'il se forte un courant thermique plus important entre les points ou surfaces d'application formés par le réseau-capillaire et les nervures. l'avantage qui ea résulte consiste on ce que l'on détruit ainsi très simplement par vaporisation la pellicule liquide gênant la sortie des bulles de gaz de l'artère.Ainsi,les gaz ou les bulles sont automatiquement refoulés hors des artères à travers le système capillaire grâce à l'effet capillaire défini par diamètre desiartères, dès que le liquide exerçant une pression à l'arrière est évaporé en raison de la conductibilité thermique plus éle- vée du revêtement.Lorsqu'on utilise comme système capillaire des rainures longitudinales ouvertes, les gaz incendensabla peuvent en sortir partout, il est vrai, mais l'effet capillaires qu'elles produisent est faible en raison de la largeur d'ouverture des rainures4 on peut multiplier l'effet capillaire des rainures pour une même section droite d'écoule-- ment, en utilisant un revêtement constitué par un matériau à pores très fins, tel qu'une feuille métallique à perforations fines, un réseau métallique, des fils métalliques étroitement serrés ete. l'effet capillaire est alors déterminé par le diamètre des perforatlons, la largeur des mailles ou l'écar- taxent des fils4 La rainure doit, de plus, être fermée à son extrémité à l'intérieur de la zone chaude. Ces rainures reeouvertes se comportent comme des artères fermées et les bulles de gaz ne peuvent tout d'abord es sortir. Cependant, si le revêtement des rainures présente une bonne conductibili- té thermique par rapport aux nervures séparant ces dernières; autrement dit, si le contact thermique entre le revêtement et les nervures est bon, la pellicule liquide s'évaporera rapi de ment dans les pores au moment de la mise es marche du tube thermique. Le gaz pourra dote s'échapper et la rainure se trouvera complètement remplie par le liquide. Il est décisif à cet effet, que le revêtement des rainures présente par l'intermédiaire des nervures séparatrices un bon contact avec la paroi chauffée du tube transmetteur de chaleur. De plus, le revêtement lui-même doit présenter une bonne conductibilité thermique.Dans le cas des procédés antérieurs et des artères utilisées correspondantes et qui sont disposées dans l'espace réservé à la vapeur dans le tube, avec un contact thermique médiocre avec la paroi du tube, l'élimination des gaz dans Ces artères est impossible en rais@n de la présence des ménisques du liquide. On va décrire ci-après, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'invention en se référant aux dessins ci-joints sur lesquels la fig. 1 est une coupe longitudinale d'un tube transmetteur de chaleur comportant des rainures recouvertes. Les figs 2 et 3 font comprendre le mode de ddga- sage d'une artère respectivement sans et avec chauffage. La fig 4 4 est une coupe transversale d'un tube transmetteur de chaleur comportant des rainures recouvertes. La fig. 5 est une coupe transversale partielle d'un tube transmetteur de chaleur comportant des rainures recouvertes séparées par des nervures avec une représenta- tion du flux thermique allant de la paroi extérieure du tube vers l'espace intérieur contenant la vapeur. La fig. 6 est une vue par-dessus correspondant à la fig. 5,représentant la destruction des ménisques liquides par le système capillaire de revêtement, grâce à sa conduc- tibilité thermique ainsi que l'évaporation de la pellicule liquide au cas où un gaz est présent. les figs 7 et 8 représentent une feuille métalli- que disposée dans la zone chaude d'un tube de transmission de chaleur comportant des rainures recouvertes par un réseau métallique La fig. 9 représente des configurations géométri ques de rainures recouvertes convenant partieulièrement à l'amélioration de la conductibilité thermique entre les rainures et leur revêtement. La fig. 10 représente une rainure recouverue par un enroulement de fils métalliques Revenant à la fig. 1 représentant schématiquement en coupe longitudinale partielle un tube de transmission de chaleur 1, on y voit une rainure + remplie de liquide s'étendant le long du côté de la paroi 3 de ce tube 1 qui regarde l'espace intérieur 2 contenant la vapeur. La rai nurse 4 est elle-meme recouverte du côté regardant cet espace intérieur 2, par un système eapillaire constitué par un matériau à pores fins. Le tube 1 est fermé à une extrémité par un bouchon 6 assujetti par a@ joint de soudure 8, tant à la paroi 3 du tube 1 qu'à une bague de fermeture 7 obturant lea rainures 4. Les figs 2 et 3 représentent à plus grande échelle le détail d'une rainure 4 recouverte par un système capillaire 5. Le liquide contenu dans cette rainure 4 et s'écou- lant dans la direction de la flèche (fig. 3) est traversé par les bulles d'un gae incondensable qui sont soumises à une surpression, l'une d'elles étant représentée en 9. Se tube de transmission de chaleur 1 est supposa en fig. 2 ne pas être chauffé et être, par suite, à l'état froid. Dans ces conditions, la rainure 4 recouverte par le réseau capillaire 5 fonctionne comme une artère fermée La bulle de gaz g ne peut, à ce moment, s'échapper de la rainure recouverte 4.Cependant, si l'on fait fonctionner le tube thermique de transmission de chaleur 1 comme cela est supposé en fig 3, c'est-à-dire, ai on le chauffe, la pellicule de liquide 10 (fig. 2) s'évapore immédiatement, à condition que le systè- me capillaire 5 présente une benne conductibilité thermique et qu'il existe aussi entre le sysème capillaire 5 et les nervures 12 séparant les rainures4(fig. 4) un bon contact thermique, ou bien, une bonne conductibilité thermique Le gaz s'échappe par les perforations, les mailles ou les pores 11 du système capillaire 5 (fig. 3) et pénètre dans l'espace intérieur 2 rempli de vapeur, comme indiqué par la flèche, de telle sorte que la rainure 4 se remplit complète- ment de liquide La fig 4 est une coupe transversale du tube de transmission de chaleur 1 et montre la section droite en queue d'aronde des rainures 4 ménagées dans la paroi 3 du tube 1. Le dessin de ces rainu@es@est tel qu'elles pénètrent à peu près à mi-profondeur en R@ dans le eorps de la paroi 3 et que leur écartement est uniforme.Les rainures successives4sont séparés par les nervures 12 dont la largeur en Sb est à peu près égale à la largeur des rainures en Rb, ien entendu, ces valeurs Sb et Rb sont choisies librement. La section droite des nervures est également en queue d'aronde, mais elle s'ouvre à l'opposé de la section droite des rainures Ces rainures 4 sont reeouterteg par le système capillaire cylindrique 5 dont la longueur correspond à celle des rainures ou à celle du tube de transmission de chaleur 1, ce système étant porté dans des conditions de bonne conductibilité thermique par les surfaces 13 des nervures 12 qui délimitent l'espace intérieur2rempli de vapeur. On a représenté schématiquement en figs 5 et 6, le flux thermique associé à la destruction de la pellicule liguide 10 (figs 2, 3 et 6) et à la su r ression de la bulle de gaz g ou du m4nisque liquide qui y est emprisonné. On voit que ce flux thermique 14 (fig. 6) se dirige de la paroi 3 du tube thermique 1 vers l'espace intérieur 2 rempli de vapeur, comme le montrent les lignes d'écoulement 15 de la fig. 5 le courant thermique principal traversant les surfaces de contact 13 des nervures 12 sur lesquelles repose le système capillaire 5, Des courants dérivés de ce courant principal sont déviés latéralement dans les rainures 4 pleines de liquide et le revêtement constitué par le système capil laire, c'est-à-dire, par exemple, par un réseau métallique ou une feuille à pores très fins, en balayant ce système. Dans un tube thermique 1 à rainures du type représenté en figs 1 à 6, le flux thermique traversant le liquide de conductibilité thermique médiocre qui est contenu dans les rainures 4 est assez faible pour être négligeable. Comme le montre la figez 6, le flux thermique maximum 14 passe par les nervures 12 et leurs surfaces libres 13 vers le système eapillaire revêtant les rainures 4, ou bien, vers le réseau zétal- lique 5 et à l'intérieur de ce système5qui est bon cenduc- teur de la chaleur. En même temps, la pellicule liquide 10 s'étendant dans les différentes mailles, pores ou intervalles du système capillaire5est détruite par vaporisation en 10' sous l'effet de la chaleur. Toute bulle gazeuse g se trouvant au-dessous du système capillaire 5 ou du réseau métallique recouvrant les rainures 4 peut ainsi s'échapper vers l'espace intérieur 2 rempli de vapeur (figs. 1, 3' 4,5). Ainsi, les-ménisques liquides sont détruits d'autant plus vite que la conductibilité thermique est meilleure0 Le gaz est refoulé hors de la rainure 4 par la pression du liquide sous-jacent agissant aous l'effet de la capillarité définie par la largeur Rb et la profondeur Rt de la rainure et ce refoulement dure jusqu'à ce que la rainure esit pleine et que les mailles ou pores du système capillaire 5 soient fermés par le liquide, L'effet capillaire des rainures 4 est alors déterminé à nouveau par les dimensions des perforations, mailles ou pores il (fig. 3) du système capillaire 5.Les nervures 12 et les rainures 4 doivent donc être dimensionnées de telle manière que l'on puisse disposer d'un flux thermique 14 suffisant à travers les nervures 12 avec une section droite suffisante pour l'écuulement du liquide. En pratique, on a constaté que le rapport optimum est de 1 : entre les largeurs Rb des rainures et Sb des nervures, gans la forme d'exécution représentée en figs 7 et 8 et comme on le voit d'abord partiellement en fig, 7, on introduit dans un tube thermique à rainures un roseau métallique 16 tubulaire enroulé et enfilé sur un poinçon rond non représenté et on applique ce réseau par martelage sur les nervures 12 séparant les rainures, au moyen d'une machine à marteler circulaire, on peut, en même temps, mettre en place par ce même martelage les bouchons d'extrémité 6 introduits pour fermer les rainures ou le tube thermique 1 (figs 1, 4). Le martelage assure un très bon contact thermique entre les nervures 12 et le réseau métallique 16 (fig. 8). Un réseau à mailles très fines, qui pourrait assurer un effet capillaire important, peut se trouver alors troué ou fendu et, de plus, en raison du faible diamètre des fils constituant le réseau, celui-ei présente une conductibilité thermique médiocre, on a constaté, en pratique, que des réseaux d'wne largeur de maille de 60 convenaient bien*. De tels réseaux présentent une résistance suffisante ainsi qu'une bonne conductibilité thermique et un excellent pouvoir capillaire, si le tube thermique doit être flexible, il faut faire attention à ce que les mailles du réseau 16 fassent avec les rainures 4 un angle de ot45O et que ce réseau 16 soit introduit suivant cet angle dans le tube thermique 1 (fig, 6), on peut obtenir également un bon contact entre le réseau 16 et lea nervures 12 par soudure ou bien par compression, au moyen d'un ressort à boudin, Un dégazage encore meilleur du liquide contenu dans les rainures 4 peut être obtenu par une amélioration de la conductibilité thermique du réseau 16 par un réseau complémentaire. A cet effet, on applique sur l'extérieur ou l'intérieur du réseau 16 un fil métallique épais 17 constitué par le même matériau que le réseau 16. ce fil du réseau complémentaire repousse lui-même le réseau 16 sous l'effet de sa tension propre, si ce fil appliqué par l'extérieur a été enroulé en hélice.Ceci améliore en même temps la conductibilité thermique du réseau 16 lui-meme et la transmission de la chaleur de la nervure 12 au réseau 16. Si, au contraire, on applique le fil complémentaire sur la face intérieure du réseau 16, il faut d'abord former un filetage dans les rainures 4 pour y introduire le fil lui- vant une hélice, ce qui produit, après martelage, un contact themique intime entre le fil, le réseau 16 et les nervures 12. La fig, 8 représente une autre possibilité pour interrompre le réseau 16 dans la zone chaude du tube thermique par la mise en place de feuilles métalliques 17'. Ces feuilles métalliques 17' peuvent être mises en place également par martelage, brasure,;u- dure par pointus ou tout procédé équivalent Ces feuillea métal- liques 17' produisent, outre une amélioration de la conductibili- té thermique, une interruption de l'écoulement du liquide dans le réseau 1, ce qui favorise un séchage rapide on peut également prévoir de fines perforations 18 dans ces feuilles métallique 17' et utiliser ces feuilles perforées comme système capillaire 5, pour recouvrir les rainures 4 en passant sur les nervures 12. Il est essentiel pour cela que lton obtienne un bon contact thermique entre les nervures 12 et le système capillaire 5, ce à quoi l'on peut arriver, ici encore, par exemple, par martelage, brasure, soudure par points ou bien, par la tension propre du système capillaire 5. L'effet capillaire est déterminé par la dimen- sion des perforations 18. Si l'on applique un réseau métal- lique 16 sur ou sous la feuille métallique 17', cette dernière ne sert alors qu'à améliorer la conductiblité thermique, L'effet capillaire est donc déterminé par la dimension des pores du réseau 16. On a représenté en fig. g deux rainures 4 de configuration géométrique différente La rainure de gauche présente une section droite en queue d'aronde et celle de droite une section droite ronde. Ces deux rainures 4 ou sections droites sont recouvertes par un système capillaire 5 qui repose sur les nervures intermédiaires 12. Enfin, la fig. 10 représente schématiquement, à une échelle agrandie, un système capillaire 5 simple, mais très efficace pour le revêtement des rainures 4 (figs 1 à 6). Ce système est constitué par un fil métallique19enroulé en hélice, de manière à assurer une excellente conductibilité thermique en raison de la grosseur de fil L'écartement 'a' entre les spires du fil enroulé 19 définit la valeur de l'effet capillaire on peut, de plus, poser avantageusement le fil 19 dans un filetage 20 taillé dans les nervures 12, ou bien encore, il peut n'être appliqué sur ces nervures que par les procédés déjà décrits ci-dessus. on peut utiliser à la place d'un fil enroulé en hélice 19 des fils métalliques disposés suivant des cercles très voisins l'un de l'autre. R E V E N D I C A T I O N S 1. Dispositif assurant le dégazage d'un liquide dans les rainures recouvertes par un système capillaire, qui sont ménagées entre les nervures successives formées à l'intérieur d'un tube de transmission de chaleur fonctionnant sous l'action d'un gaz, ce dispositif étant caractérisé par le fait que le système capillaire recouvrant les rainures est bon conducteur de la chaleur et qu'il se produit un flux thermique plus important entre les points ou surfaces d'application formées par le système capillaire et les nervures 2. Dispositif suivant la revendication 1, caracterisé par le fait que le système capillaire est constitué par un réseau métallique. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le système capillaire est constitué par un fil métallique enroulé en hélice 4. Dispositif suivant la wendication 1, caractérisé par le fait que le système capillaire est constitué par des fils métalliques enroulés suivant des cercles très rapprochés ltun de l'autre. 5. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le système capillaire est constitué par une feuille métallique perforée. 6. Dispositif suivant les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que le système capillaire est enroulé ou enveloppé dans un système complementaire bon conducteur de la chialeur, 7. Dispositif suivant les revendications 1 i 2 et 6 caractérisé par le fait que les mailles du réseau formant le système capillaire sont disposées suivant un angle de 450 par rapport à la direction des rainures,