Brevet FR2392348A1 — publié le 19781222

La présente invention se rapporte à un dispositif pour le transfert réglable de chaleur par un tube calorifique. On sait bien que le tube calorifique est us appareil extrê- mement efficace pour le transport et la transxission de la chaleur ; cet appareil consiste en un réservoir étanche au vide, le plus souvent sous forme d'un tube dont la paroi intérieure est pourvue d'une structure capillaire. Pour le transfert de la chaleur, le tube-calorifique contient un milieu à tension de vapeur relativement élevée, qui subit pendant le transport de la chaleur une alternance continuelle d'évaporation et de condensation.La vapeur produite dans la zone de chauffage, par l'apport de la chaleur d'évaporation, s'écoule dans l'espace-libre au-dessus de la structure capillaire vers la zone de refroidissement, où elle se condense, en dégageant de la chaleur de condensation. Le condense ainsi produit retourne, en s'écoulant par la structure capillaire, dats la zone de chauffage, en partie sens l'influence de la gravité ou de la force capillaire, selon l'orientation du tube. Et la puissance calorifique ainsi transisse et la tempéra- ture du tube calorifique varient alors selon la résistance au transfert thermique présente dans les zones de chauffage et de refroidissement. Comme on désirait commander ou régler la conduction de la chaleur et la teipérature du tube calorifique, en a réalisé des tubes calerifiques réglés par un gaz, tels qu'on en connaît par le brevet USA 3 958 627.Dans ce cas, il s'agit d'un tube calorifique variable, composé d'une enveloppe tresse close, d'une parei intérieure pour l'alternance du sens du courant de vapeur, d'un liquide évaporable et d'un réservoir repli d'un gaz non condensable (gaz inerte). Le fonctionnement de ce dispositif repose sur un blocage partiel des zones de refroidissement et de transport par le gaz inerte, la zone de chauffage n'étant pas impliquée. Le blocage partiel de la zone de refroidissement a pour conséquence l'aug tentation de la résistance à la transmission de la chaleur dans la zone de refroidissement, ce qui JOne à une augmentation de la température du tube calorifique si dans la zone de chauffage la valeur du transfert de chaleur ne varie pas ; il en résulte que la puissance calorifique transférable s'en trouve réduite.Le dé placement du front de gaz inerte qui effectue le blocage dans la zone de refroidissement est réglé par la variation de la tespé- rature du réservoir ou plus préciséient du gaz inerte qu'il contientO Cependant la résistance au transfert de chaleur entre la source de chaleur et le tube calorifique reste constante. L'inconvénient d'un tel tube calorifique réside dans le fait qu'au fur et à mesure que le gaz inerte bloque davantage la zone de refroidissement, la température du tube calorifique monte à un tel degré que, quand le flux de chaleur est presque interrom- pu, la température du tube est presque égale à la température de la source de chaleur0 La forte pression intérieure qui s'établit alors, et qui correspond à la tension de vapeur du liquide em- ployé due à cette haute température du tube calorifique, peut provoquer son éclatement ou bien la décomposition du liquide. La présente invention a donc pour obJet de réaliser un dispositif à l'aide duquel on peut obtenir un transfert de chaleur réglable par un tube calorifique, et cela de sorte que la tempé- rature de ce dernier reste sensiblement inférieure à la tenpéra- ture de la source de chaleur quand la puissance calorifique transmise est réduite. Salivant l'invention, le but visb est atteint du fait que la température du tube calorifique et la puissgpce calorifiqne ainsi transmise sont réglables par une résistance thermique variable dis- disposée entre une source de chaleur et le tube calorifique et qu'en tant que résistance thermique, il est prévu une substance solide, liquide ou gazeuse placée entre le tube calorifique et la source de chaleur, substance dont la conductibilité thermique est variable en fonction de la température, la conductibilité se modifiant de préférence lors du passage de la dite substance d'une phase à 11 autre.En plus, lt ention peut présenter les caractéristiques énumérées ci-dessous, soit isolément, soit en des combinaisons: - La substance à conductibilité variable est un liquide à niveau variable, qui est en équilibre avec sa tension de vapeur. - Le niveau du liquide est variable par un piston disposé dans un cylindre et commandé de l'extérieur0 - Le niveau du liquide est variable par un soufflet. - Le niveau du liquide est variable par la modification de sa tension de vapeur. - I1 s'oppose à la pression de vapeur une pression gazeuse anta goniste qui l'entoure (par exemple la pression barométrique de l'air). - La pression gazeuse environnante est enforcée par un ressort. - Il s'opose à la tension de la vapeur la pression antagoniste d'un gaz (par exemple air, azote, etc.) accumulé dans un réservoir. L'avantage de l'invention réside plus particulièrement en ce que c'est la résistance thermique entre la source de chaleur et le tube calorifique qui est variable et que, par conséquent, la température du tube reste sensiblement inférieure à la tenp*- rature de la source de chaleur lors de la réduction de la puissance calorifique transmise, étant donné que c'est plutôt l'absorption de chaleur dans la zone de chauffage du tube calorifique qu'on règle et non pas, comme jusqu'ici, la chaleur cédée dans la zone de refroidissement. Cela s'accompagne aussi d'un soulagement du système tout entier et les incidents par suite de blocage ou d'éclatement du tube calorifique sont exclus. Des solutions intéressantes pour la réalisation de ltinten- tion sont a) la disposition d'une substance solide douée d'une résistance thermique très variable on fonction de la température, et qui est placée dans la zone de chauffage entre la source de chaleur et le tube calorifique. Dans ce cas, les conditions régnant dans la zone de refroidissement restant constantes, l'augmentation de la puissance calorifique transmise et la température du tube calorifique sont modérées par la résistance thermique en augaen- tation rapide. Dans le tableau ci-dessous, la conductibilité thermique à diverses températures est donnée pour quelques-unes des substan tes axent on peut envisager l'emploi à cet effet. Substance température conductibilité thermique V/cm K combinaison intersitallique 373 0,202 (Indium-arsénique) 578 0,121 (InAs) 885 0,084 oxyde d'aluminium 500 0,2 (Al2O3) 800 0,1 1000 0,08 oxyde de béryllium 500 1,4 (BeO) 800 0,72 silicium 300 1,4 (Si) 600 0,6 1000 0,3 acier 303 0,688 473 0,451 773 0,231 de oxyde de magnésium 500 0,25 (Mgo) 800 0,15 La conductibilit thermique des substances citées ci-dessus diminue approximativement de moitié pour une élévation de la température de 300'K. Vu que le iode de fonctionnement d'un tel dispositif est passif, il ne peut étire réglé de l'extérieur. Mais malgré son comportement de réglage relativement peu avantageux, ce dispositif offre certains avantages gracie à sa construction très simple. b) La mise à profit de la variation brusque de la conductibilité thermique d'une substance lors du changement de phases solideliquide. Il est possible d'obtenir ainsi des résultats sensiblement plus avantageux0 Ori dispose à cet effet entre la source de chaleur et le tube calorifique, dans un réservoir étanche au vide, une substance dont le point de fusion se situe entre la teupEra- ture de travail souhaitée pour le tube calorifique et la tempé- rature de la source de chaleur et qui présente en outre, lors du changement de phases solide-liquide, une variation brusque et très importante de sa conductibilité thermique0 Parsi les substances dont la conductibilité thermique varie fortement au point de fusion, on peut citer les suivants Substance température de fusion conductibilité thermique au point de fusion W/cx K solide liquide POTASSIUM (K) 336 1 0,35 SODIUM (Na) 371 1,2 0,88 ETAIN (Sn) 505 0,6 0,3 ALUMINIUM (Al) 932 2 0,9 Le mode de fonctionnement dtun tel dispositif est égale- sent passif. Le comportement de réglage est dans ce cas sensi blement meilleur, en comparaison des substances solides sans changement de phase. L'élévation de la température de la source de chaleur est, là encore, accompagnée d'une élévation de la température du tube calorifique.Mais l'augmentation de la tem- pérature est sensiblement plus faible que pour les substances restant solides. c) L'utilisation d'un milieu en liquide. Si le transfert de la chaleur de la source de chaleur au tube calorifique à lieu dans un liquide - cas où on peut encore mettre à profit le changement de phases liquide-gazeux -, le dispositif permet le réglage de la température du tube aussi bien passif qu'actif. Alors la ré sistance thermique dans la zone de chauffage du tube calorifique est modifiée par la variation du niveau du liquide qui varie à son tour l'aire des surfaces mouillées du tube calorifique et de la source de chaleur. Des exemples dtexdoution de l'invention sont décrits ci-dessous en référence au dessin annexé, dans lequel montrent la figure 1 schématiquement un dispositif pour le transfert ré glable de chaleur, comportant une matière solide disposée dans la zone de chauffage d'un tube calori fique ; la figure 2 un dispositif conforme à la figure 1, nais compor- tant dans la zone de chauffage du tube calorifique une substance avec changement de phases solide-li quide la figure 3 un dispositif conforme aux figures 1 et 2, comportant dans la zone de chauffage du tube calorifique une substance avec changement de phases liquide-gazeux et, en outre, un cylindre de pompage avec un piston à commande mécanique pour le réglage du niveau de ladite substance à l'état liquide la figure 3a un soufflet à commande mécanique, susceptible d'strie monté sur le dispositif suivant figure 3 pour le ré glage du niveau, en remplacement du cylindre de pom- page ; la figure 4 un dispositif conforme à celui de la figure 3 mais au piston duquel la pression ambiante est admise ; les figures 4a, b, c, d des formes de réalisation de divers ré cipients pour le réglage du niveau0 La figure I est une représentation schématisée dtun dispo sitif I à onctionnement passif pour la transmission réglable de la chaleur par un tube calorifique 2, dans sa forme de réalisation la plus simple. Le tube calorifique 2 est réalisé à son extrémité inférieure sous forme de zone de chauffage 3 et à son extrémité supérieure sous forme de zone de refroidissement 4. La zone de chauffage avoisine une source de chaleur 5. Entre les deux, il est disposée une substance solide 6, présentant une résistance thermique ne e fort variable en fonction de la temp6ra- ture. La' chaleur apportée de la source de chaleur 5 à la zone de chauffage 3, est transférée par l'intermédiaire de la zone de transport 7 du tube calorifique 2 vers la zone de refroidissement 4. Ltutilisation d'une substance solide comme régulateur de la transmission de chaleur dtune source de chaleur à la zone de chauffage d'un tube calorifique atténue l'augmentation de la puissance calorifique transférée et la température du tube calorifique, gracie à l'augmentation rapide de la résistance thermi- que qui s'ensuit, pourvu que des conditions constantes règnent dans la zone de refroidissement. Selon la figure 2, une substance 9 à changements de phases solide-liquide est disposée dans un récipient étanche au vide 8 placé entre une source de chaleur 5 et la zone de chauffage 3 d'un tube calorifique avec une zone de refroidissement 4. Le mode de fonctionnement de ce dispositif est également passif mais en comparaison du dispositif selon figure 1, son comportement régulateur est amélioré par le changement de phase de la substance utilisée. Le point de fusion de cette substance se situe entre la température de travail souhaitée pour le tube calorifique et la température de la source de chaleur, ID outre, cette substance présente une variation brusque et très impor- tante de sa conductibilité thermique lors du changenent de phase.La partie de la substance qui se trouve à l'état liquide (9') augmente avec l'élévation de la température de la source de chaleur et cela accroit en même temps sensiblement la resis- tance thermique entre la source de chaleur et le tube calorifique0 Cela n'implique qu'une augmentation bien réduite de la température du tube calorifique ainsi que, de ce fait de la puissance calorifique transférée par le tube calorifique La figure 3 représente un dispositif 1' analogue à ceux des figures 1 et 2 mais à fonctionnement actif. La zone de chauf- fage 3 de son tube calorifique 2 avec sa zone de refroidisse met 4 est partiellement entourée par une substance liquide Il à changements de phases liquide-gazeux, contenue dans un réser- voir 10. La substance liquide Il est reliée par une conduite de corsunication 12 à un cylindre 13, dans lequel est disposé un piston 15 dEplaç+able par un moteur de réglage 14. Selon la direction du mouvement du piston 15 et par conséquent de l'écou- liement de la substance liquide 11, le niveau 16 du liquide dans le récipient 10 varie, ce qui a pour conséquence que cette ubs- tance Il entoure une partie plus ou moins grande de la zone de chauffage 3. La substance iiest en équilibre avec la tension de sa vapeur 17, qui se trouve an-dessus du niveau 16 du liquide. La conductibilité thermique de la vapeur 17 est pratiquement négligeable en conparaison de la conductibilité thermique de la substance il à l'état liquide. Par exemple, quand la température d'eau est de 100 C la conductibilité thermique de l'eau est de 0,681 W/cn K, tandis que celle de la vapeur d'eau est de 0,025 W/cn K. Cela permet donc de régler, à presque n'importe quelle valeur, la résistance thermique et par conséquent la température du tube calorifique, entre les températures de la source de chaleur 5 et de la zone de refroidissement 4 (d6ver- soir de chaleur).Lorsque la zone de chauffage 3 est eonplète- ment baignée de la substance liquide 11, la conductibilité thernique entre la source de chaleur 5 et le tube calorifique 2 est assez élevée si bien qu'on peut obtenir une très haute tespéra- ture du tube calorifique et une puissance thermique transtéra- ble maximale.Mais si la zone de chauffage 3 n'est entourée tique de la vapeur 17 de la substance liquide 11, ce qui correspond à une très mauvaise conductibilité thermique, le transfert de chaleur est presque arrêté et le tube calorifique 2 atteint la température de la zone de refroidissement 4 (déversoir de cha leur). Pour le dispositif 1' qu'on vient de décrire, la conduite de communication 12 entre le récipient 10 et le cylindre 13 peut Store disposée à n'importe quel point du récipient 10. (p. exemple mOme en haut). Et on peut, comme on le voit à la figure 3a, remplacer le cylindre 13 avec le piston 15 par un soufflet 19 fermé à sa face extrême 18. La-coxpression du soufflet 19 et le déplacement, ctest-i-dire la modification de la hauteur, du niveau 16 de la substance liquide Il sont obtenus par l'action d'un organe intermédiaire 20, disposé entre le moteur de réglage 14 et la face 18 du soufflet. Il est important que la totalité du dispositif soit étanche au vide. La figure 4 montre le même dispositif 1' irais à mode de fontionnement passif. Dans ce cas, le piston 15 n'est plus déplaça mécaniquement par un moteur de réglage 14 (figure 3), mais par une pression ambiante 21 (par exemple la pression de l'air). A cet effet, la face 22, 22' du piston 15, 15' (figure 4, 4a), opposée à la substance liquide 11, où la face 18, 18t d'un soufflet 19, 19t (figures 3a, 4b) est exposée à la pression ambiante, le couvercle 23, 23' du cylindre présentant une couverture (figures 4, 4a, 4b). Quand, par exemple, la pression qui exerce de 11 extérieur sur le piston 15 ou le soufflet 19' est égale à un atmosphère, tandis que la tension de vapeur 17' déterminée par la tespéra- ture de la source de chaleur 5 (figure 4) est inférieure à une atmosphère, le réservoir 10 est rempli de la substance 11, mais si la tension de la vapeur 17' est supérieure à une atmosphère, elle exerce une pression sur le niveau 16 de la substance liquide il et elle refoule ainsi le liquide il dans le cylindre 13 (an déplaçant le piston 15) ou dans le soufflet 19' (figures 4, 4a, 4b), La température de régime du tube calorifique 2 est donc réglable par le point d'ébullition de la substance liquide choi site. Sans changer de liquide 11, on peut obtenir une variation de la température de travail par un agencement selon figures 4a et 4b, où un ressort 24, 24t, appuyé contre le couvercle 23' du cylindre exerce une pression sur les faces 22t ou 18t du piston 15' ou du soufflet 19t. Selon la pression ambiante 212 et le ressort 24, 24', ce dernier agit dans le mOme sens que la pression ambiante 21t ou dais le sens opposé, si bien que la substance liquide Il est refoulée dans le réservoir 10, le cylindre 13 ou le soufflet 19' ou en est chassé lorsque la pression augmente ou baissez Comme le montrent les figures 4c, 4d, on peut remplacer le ressort 24, 24t (figures 4a, 4b) par une pression intérieure préréglée 25, 25' d'un gaz 26, 26' (tel que l'air, l'azote, etc.). Ce gaz 26, 26' est contenu dans un réservoir 27, 271, disposé du cêté du piston 15" ou soufflet 19w, opposé à la substance liquide (face 22", 18"). REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour le transfert réglable de chaleur à l'aide d'un tube calorifique, caractérisé en ce que la température du tube calorifique (2) et la puissance calorifique ainsi transmise sont réglables par une résistance thermique variable disposée entre une source de chaleur (5) et le tube calorifique (2), et qu'en tant que résistance thermique, il est prévu une substance (tt) solide, liquide ou gazeuse placée entre le tube calorifique (2) et la source de chaleur (5), substance dont la conductibilité thermique est variable en fonction de la température, la conductibilité se modifiant de préférence lors du passage de la dite substance d'une phase à l'autre. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que la substance à conductibilité variable (11) est un liquide à niveau variable, qui est en équilibre avec sa tension de vapeur (17, 17'). 3' - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le niveau du liquide (11) est variable par piston (15), disposé dans un cylindre (13) et commandé de l'extérieur. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le niveau du liquide (11) est variable par un soufflet (19, 19', 19"), 5e - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le niveau du liquide (îi) est variable par la modification de sa tension de vapeur (17, 17'). 6e - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il 'oppose à la pression de vapeur (17, 17t) une pression gazeuse antogoniste (21, 21t) qui l'entoure (par exemple la pression barométrique de l1air). 7- - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression gazeuse environnante (21, 21') est renforcée par un ressort (24, 24'). 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il s'oppose à la tension de la vapeur (17, 17') la pression antagoniste (25, 25') d'un gaz (26, 26'), (par exemple air, azote, etcs) accumulé dans un réservoir (27, 27').