Brevet FR2489490A1 — publié le 19820305

La présente invention due aux travaux de monsieur le professeur Félix TROMBE et de messieurs, Raymond BERGER, Maurice de CACHARD et André GOUZY du Commissariat à l'Energie Atomique, a pour objet un appareil modulaire de production de froid. On connaît selon l'art antérieur des appa- reils pour la production de froid fonctionnant de ma- nière autonome, c'est-à-dire sans approvisionnement extérieur en énergie et ne comportant aucune pièce mobile, ce qui leur confère une grande simplicité et une excellente fiabilité. Ces appareils sont basés sur la propriété connue que présente l'atmosphère terrestre de laisser passer préférentiellement le rayonnement compris entre 8 et 131a et entre 16 et 257L. Une partie des rayonnements émis par les corps noirs se situe dans ces plages. On sait qu'un corps noir est un corps qui absorbe complètement le rayonnement qu'il reçoit, quelle que soit sa longueur d'onde. Un tel corps est en équilibre thermodynamique avec le rayonnement qu'il reçoit et avec le rayonnement qu'il émet. En principe, l'émissivité d'un corps noir est égale à l'unité et s'étend dans tout le spectre, en particu- lier dans les fenêtres de transparence de l'atmosphè- re. Lorsqu'un corps noir est placé dans l'atmosphère, la partie d'énergie qu'il rayonne dans lesdites fenê- tres est transmise vers l'espace quasiment sans accu- mulation. Il en résulte un refroidissement du corps émetteur. La chute de température subie par ce corps est toutefois limitée si des échanges thermiques pa- rasites ont lieu avec l'air ambiant ou avec le sol, soit par convection, soit par l'intermédiaire de phé- nomènes de condensation liés au degré d'humidité de l'air. Dans les appareils pour la production de froid de type connu, le corps qui subit un refroidis- sement du fait de son rayonnement à travers les fenê- tres de transparence de l'atmosphère est thermique- ment relié à un matériau qui présente une transition solide-liquide au voisinage de la température de fonctionnement de l'appareil. Cette liaison thermi- que s'effectue au moyen d'un tube de chaleur caloduc qui joue le rôle d'une diode thermique et qui assure la liaison thermique uniquement dans le sens du maté- riau vers le corps noir. Il en résulte un abaissement de la température du matériau provoquant sa solidifi- cation sans que la transformation inverse de la phase solide à la phase liquide puisse se produire, car le transfert des calories qui pourraient provenir du corps rayonnant est bloqué par la diode thermique. L'appareil produit donc du froid et l'emmagasine. On a représenté sur la figure 1, un exemple de réalisation d'un tel appareil pour la production de froid de type connu. Cet appareil comporte une surface rayonnante 2 reliée thermiquement à un calo- duc 4 constituant une diode thermique. La partie in- férieure 6 de ce caloduc est munie d'ailettes 8 qui ont pour but d'accroître la surface d'échange entre le matériau fusible et le caloduc 4, et est immergée à l'intérieur d'un matériau fusible qui est liquide à la température ambiante diurne, de l'eau par exemple, ce réservoir étant isolé thermiquement du sol et ren- du étanche par ses parois par exemple en matière plastique. Ce réservoir de stockage n'a pas été re- présenté sur la figure 1. A sa partie supérieure, le caloduc 4 pré- sente une structure capillaire discontinue, ce qui permet de réaliser la fonction de diode thermique: lorsque la surface rayonnante est à une température supérieure à celle de l'enceinte de stockage, le li- quide condensé du caloduc reste dans la partie basse du caloduc et le transfert de calories par le caloduc ne peut s'effectuer. Le zaloduc est rempli d'un composé dont le point d'évaporation est compatible avec la températu- re de fonctionnement de l'appareil: par exemple, un fréon ou de l'ammoniac. Cependant, les appareils pour la produc- tion de froid qui viennent d'être décrits présentent un certain nombre d'inconvénients. La réalisation du ou des caloducs assurant la liaison thermique entre le stockage froid et la surface rayonnante est complexe, ce qui entraîne un coût de fabrication élevé. Les ailettes travaillent en régime de con- duction thermique. Par suite, leur rendement n'est pas très élevé. Ainsi, la liaison thermique entre le matériau de stockage et le caloduc 4 est relativement médiocre. D'autre part, la surface rayonnante 2 tra- vaille également en régime de conduction thermique. Par suite, la liaison thermique entre cette surface rayonnante et le caloduc est aussi relativement mé- diocre. Enfin, de tels appareils présentent un en- combrement important, analogue à celui d'un parapluie ouvert. Par suite, ils se prêtent mal au transport. Lorsqu'il est nécessaire de transporter un grand nom- bre de ces appareils sur de longues distances, le coût de ce transport est très élevé. La présente invention a précisément pour objet un appareil pour la production de froid qui remédie aux inconvénients des dispositifs antérieu- rement connus. Elle en simplifie la réalisation, en accroît sensiblement le rendement thermique, et sur- -tout elle en diminue l'encombrement au cours du transport, ce qui permet d'obtenir une réduction im- portante des coûts de fabrication, de transport et d'installation. Plus précisémenr, l'appareil pour la pro- ducLion de froid selon l'invention se caractérise en ce qu'il comprend: - une enceinte de stockage de froid remplie d'un ma- tériau présentant une transmission solide-liquide au vorinage de la tempèrjture de fonctionnement de l'appareil, - un premier panneau formant une surface rayonnante dont le rayonnement tombe dans au moins une des fenêtres de transparence de l'atmosphère, - un second panneau sensiblement vertical immergé dans le matériau de J 'enceinte de stockage de froid, - un conduit formé en serpentin sur chacun des pre- mier et second panneaux, ces conduits étant reliés par des raccords plastiquement déformables pour former un circuit fermé, - une certaine quantité d'un fluide vaporisable dans les conditions de fonctionnement de l'appareil à l'intérieur du circuit fermé, l'ensemble constitué par les premier et second panneaux, le circuit fer- mé et le fluide caloporteur formant un dispositif de type caloduc jouant le rôle d'une diode thermi- que qui ne transmet la chaleur que dans le sens de l'enceinte de stockage vers la surface rayonnante. De préférence, les raccords entre les con- duits en forme de serpentins formés sur chacun des panneaux, l'un pour le départ de la vapeur vers le condenseur, l'autre pour le retour du liquide vers l'évaporateur, sont réalisés en métal recuit, en cui- vre ou en aluminium par exemple. Ceci permet de ployer et de déployer l'ensemble un certain nombre de fois sans risque de fuites ou de ruptures. Selon un mode préférentiel de réalisation, l'ensemble constitué par la surface rayonnante, le second panneau formant évaporateur, le circuit fermé, est formé par un seul panneau ajouré dans sa partie centrale pour déterminer un panneau supérieur formant la surface rayonnante et un panneau inférieur formant évaporateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins an- nexés, sur lesquels: - les figures 2 et 3 représentent deux va- riantes de réalisation de l'appareil de production de froid selon l'invention, - la figure 4 représente un appareil de production de froid selon l'invention, muni d'un flotteur. On a représenté sur la figure 2 un premier mode de réalisation de l'appareil de production de froid selon l'invention. Cet appareil se compose d'un premier panneau 10 formant une surface rayonnante dont le rayonnement tombe dans au moins une fenêtre de transparence de l'atmosphère, un second panneau 12 immergé sensiblement verticalement dans le matériau de l'enceinte de stockage. Un conduit 14 en forme de serpentin est formé sur le panneau 10. Un conduit 16 sensiblement identique au conduit 14 est formé sur le panneau 12. L'extrémité 14a du conduit 14 est raccor- dée à l'extrémité 16a du conduit 16 par un raccord 18. De la même manière, l'extrémité 14b du conduit 14 est raccordée à l'extrémité 16b du conduit 16 par un raccord 20. Le raccord 20 comporte un embout de rem- plissage 22 par lequel on introduit une certaine quantité d'un fluide caloporteur à l'intérieur du circuit fermé constitué par les conduits 14 et 16 et par les raccords 18 et 20. Ce fluide caloporteur, par exemple un fréon jou de l'ammoniaque est vaporisable dans les conditions de fonctionnement de l'appareil. La tubulure 18 sert pour le départ de la vapeur vers le condenseur, tandis que la tubulure 20 sert pour le retour du liquide caloporteur vers l'évaporateur. On réalise ainsi un dispositif de type ca- loduc jouant le rôle d'une diode thermique dont le fonctionnement est le suivant. Lorsque, du fait de son rayonnement à travers les fenêtres de transparen- ce de l'atmosphère, le panneau 10 fonctionnant comme surface rayonnante subit un refroidissement, un transfert de chaleur se produit par effet caloduc du panneau 12 vers la surface rayonnante 10 et par con- séquent, vers l'atmosphère * une certaine quantité de fluide caloporteur se vaporise à l'intérieur du pan- neau évaporateur 12. La vapeur ainsi formée se dépla- ce par le conduit 16, puis par le raccord 18 jusque vers le panneau 10, plus froid, qui joue le rôle de condenseur. L'appareil produit donc du froid et l'em- magasine. Dans l'hypothèse inverse, c'est-à-dire lorsque le panneau 10 se trouve à une température supérieure à celle du panneau 12, la totalité du fluide caloporteur se trouvant dans le panneau 12, un transfert de chaleur par effet caloduc est bloqué. Seul reste possible un transfert de chaleur par con- duction. Cependant,comme on le sait, l'importance d'un tel transfert de chaleur reste très limitée. Comme on peut le constater, la liaison thermique entre le matériau de stockage et le panneau évaporateur 12 est améliorée du fait de la présence du conduit 16 en forme de serpentin sur toute la sur- face de l'évaporateur. D'une manière identique, la liaison thermique entre le conduit 14 et le panneau condenseur est améliorée. L'appareil peut être réalisé suivant le procédé "Roll Bond" qui consiste à déposer par impression (genre rotative pour journaux) une peintu- re sur une feuille métallique; on place ensuite une autre feuille métallique et on colamine à chaud l'en- semble. Il se produit une moulure par diffusion sauf aux endroits recouverts de peinture. On crée ensuite une pression qui décole les parties non soudées. Les panneaux 10 et 12 peuvent être constitués par des panneaux condenseurs d'usage courant dans l'indus- trie frigorifique. Par conséquent, le coût de l'appa- reil est diminué. L'encombrement au cours du trans- port est également diminué, ce qui permet une réduc- tion du coût de ce transport. Les raccords 18 et 20 sont réalisés en un matériau déformable plastiquement, par exemple en cuivre ou en aluminium recuit, ce qui permet de ployer et de déployer l'ensemble un certain nombre de fois sans risque de fuites ou de ruptures. La struc- ture ainsi obtenue est dite "portefeuille" par oppo- sition à la structure de l'appareil selon l'art anté- rieur décrit précédemment dite "parapluie ouvert". L'encombrement au cours du transport est ainsi ré- duit. On a représenté sur la figure 3 une varian- te de réalisation de l'appareil représenté sur la fi- gure 2. Cet appareil est réalisé en un seul panneau qui remplit simultanément les fonctions de condenseur dans sa partie supérieure 10, et d'évaporateur dans sa partie inférieure 12. Les zones 10 et 12 sont sé- parées par des ajours 24 qui permettent d'isoler thermiquement l'évaporateur 12 du condenseur 10. Les raccords 18 et 20 du mode de réalisation précédent sont ainsi supprimés, le circuit fermé à l'intérieur duquel se trouve le fluide caloporteur étant réalisé en une seule partie. Seul reste nécessaire l'embout de remplissage 22 pour le fouisie caloporteur. Ce panneau peut également être réalisé sui- vant le procédé "Roll Bond". Cet appareil simple et peu coûteux peut être utilisé sur de très grandes surfaces, et il est intéressant de le présenter sous forme modulaire. Une -elle réalisation est représentée sur la figure 4. Sur cette figure, le panneau formé en une seule pièce décrit en référence à la figure 3 est accroché par un rebord 26 obtenu par le pliage de l'extrémité du panneau 10 à un flotteur 28. La forme du flotteur 28 qui peut être réalisée par exemple en polystyrène expansé, est déterminée de façon à épou- ser celle du panneau et à donner à J'ensemble Mas- siette souhaitée en fonction des données géographi- ques et topographiques du lieu d'implantation. Des appareils modulaires, tels que celui qui est repré- senté sur la figure 4, tous identiques mais totale- ment indépendants les uns des autres peuvent être juxtaposés pour couvrir en totalité une surface aussi grande qu'on le désire. Ils peuvent être chargés en fluide calopor- teur à l'issue de leur fabrication et transportés soit à plat avec une mise en forme sur le lieu d'uti- lisation, leur ceintrage facilité par la pression in- terne exercée par le fluide caloporteur étant obtenu au moyen d'un outillage approprié, soit après mise en forme sur les lieux de fabrication, en les imbriquant les uns dans les autres. Lorsque ces panneaux sont réalisés en alu- minium ou en alliage d'aluminium, comme c'est le cas lorsqu'ils sont fabriqués par le procédé "Roll Bond", la surface rayonnante peut être obtenue directement à peu de frais par un traitement d'oxydation anodique exécuté après le remplissage en fluide caloporteur et le scellement du panneau. 248 9490 REVENDICATIONS 1. Appareil pour la production de froid, caractérisé en ce qu'il comprend: - une enceinte de stockage de froid remplie d'un ma- tériau présentant une transmission solide-liquide au voisinage de la température de fonctionnement de l'appareil, - un premier panneau (10) formant une surface rayon- nante dont le rayonnement tombe dans au moins une des fenêtres de transparence de l'atmosphère, - un second panneau (12) sensiblement vertical immer- gé dans le matériau de l'enceinte de stockage de froid, - un conduit formé en serpentin (14, 16) sur chacun des premier et second panneaux, ces conduits étant reliés par des raccords (18, 20) plastiquement dé- formables pour former un circuit fermé, - une certaine quantité d'un fluide vaporisable dans les conditions de fonctionnement de l'appareil à l'intérieur du circuit fermé, l'ensemble constitué par les premier et second panneaux (10, 12), le circuit fermé (14, 16) et le fluide caloporteur formant un dispositif de type caloduc jouant le rô- le d'une diode thermique qui ne transmet la chaleur que dans le sens de l'enceinte de stockage vers la surface rayonnante (10). 2. Appareil selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les raccords plastiquement défor- mables (18, 20) sont réalisés en un métal recuit choisi dans le groupe comprenant l'aluminium et le cuivre. 3. Appareil selon l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que le panneau condenseur (10), le panneau évaporateur (12), le cir- cuit fermé dans lequel circule le fluide caloporteur, les raccords (18 et 20, sont fabriqués en un seul panneau, ce panneau comportant des ajours (24) dans sa partie centrale qui limitent la conduction thermi- que entre le condenseur (10) et l'évaporateur (12). 4. Appareil selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un flotteur (28) disposé sous le panneau (10) formant la surface rayonnante, et accroché par un rebord (26) de la surface (10), la forme du flot- teur (28) étant appropriée pour donner à l'appareil l'assiette souhaitée.