Brevet FR2528960A1 — publié le 19831223

La présente invention a pour objet un puits de chaleur à régulation de température Elle trouve une application dans la réalisation de matériels met- tant en oeuvre des processus thermiques ayant pour but d'élaborer des matériaux divers En particulier, l'in- vention trouve une application dans l'élaboration de matériaux à bord de satellites artificiels. Les matériels embarqués à bord de satellites artificiels doivent répondre à des conditions particu- lières qui tiennent aux conditions exceptionnelles de leur utilisation: leur poids doit être faible, leur fiabilité grande, leur besoin en énergie limité, etc Ces contraintes s'appliquent en particulier aux moyens d'étude des phénomènes de solidification dans l'espace en apesanteur aussi bien qu'au sol, dans le champ de gravité, qui font l'objet aujourd'hui d'un certain nombre de travaux. Pour mieux comprendre ces difficultés et par là même mieux saisir l'intérêt de l'invention, un ap- pareil d'expérimentation sur la solidification, des- tiné à être embarqué à bord d'un satellite va d'abord être décrit dans ses grandes lignes, et cela à l'aide de la figure 1. L'appareil représenté sur la figure 1 com- prend une structure support 10, un banc 12 reposant sur cette structure, un ou plusieurs tubes d'expéri- mentation 14 (par exemple trois tubes à 120 ) mainte- nus fixés par rapport au banc, un premier four fixe 20 associé à un premier puits de chaleur 22 également fixe, un second four 24 mobile associé à un second puits de chaleur mobile 26, une table de translation supportant le four et le puits mobiles, et enfin un système 32 de commande du déplacement de la table Sur le diagramme situé en haut de la figure est représen- tée la répartition de température le long du tube 14. Il apparaît deux gradients de température G 1 et G 2, le premier fixe et le second mobile Deux interfaces solide-liquide SL 1 et SL 2 marquent les zones o le matériau contenu dans les tubes 14 passe de la phase solide (extrémités droite et gauche) à la phase liqui- de (zone centrale) Lorsque l'équipement mobile cons- titué par les ensembles 24 et 26 se déplace de la droite vers la gauche, il apparaît à l'extrémité droi- te du tube d'expérimentation une zone cristalline 35. La présente invention porte sur un puits de chaleur pouvant être utilisé dans une installation de ce genre, comme moyen 22 ou 26 Un puits de chaleur est un dispositif apte à évacuer une certaine quantité de chaleur En l'occurrence cette chaleur est celle qui provient de la zone centrale de l'appareil située dans les fours et qui se propage vers les extrémités (par conduction, convection, rayonnement, etc). Pour assurer aux extrémités des tubes d'expérimenta- tion une température constante et maintenir ainsi un gradient de température correct, il convient d'évacuer cette chaleur et d'assurer une régulation de tempéra- ture. A cette fin, un puits de chaleur comprend un bloc conducteur de la chaleur (par exemple en métal) associé à un moyen d'évacuation des calories et de régulation de la température du bloc. Le problème que se propose de résoudre l'in- vention est de trouver une combinaison de moyens qui remplissent les conditions que l'on exige dans le do- maine spatial, et qui ont été évoquées plus haut De telles conditions permettent de repousser a priori certaines solutions qui pourraient être envisagées pour réaliser un tel puits On pourrait penser par exemple utiliser un caloduc dont le puits constitue- rait la source chaude, ce caloduc étant associé à un 3. élément chauffant apte à assurer une régulation de température L'inconvénient d'un tel système serait de nécessiter une source d'énergie auxiliaire pour ali- menter l'élément chauffant Pour un puits de chaleur capable d'évacuer 200 W, un tel élément chauffant con- sommerait de 5 a à 80 W, ce qui serait prohibitif dans un satellite. On pourrait aussi imaginer un dispositif ca- pable de mesurer la température du puits, de comparer cette température à une valeur de con signe, d'engen- drer un signal d'erreur fonction de l'écart entre la température mesurée et la valeur de consigne et de commander le débit d'un fluide de refroidissement à l'aide du signal d'erreur pour ramener la température à la valeur de consigne Cette solution présenterait l'inconvénient de nécessiter des organes éleçtroni- ques qui augmenteraient la complexité de l'appareil, diminueraient sa fiabilité et entraîneraient encore un excès de consommation d'énergie La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients A cette fin elle pro- pose un puits de chaleur qui ne requiert ni source d'énergie auxiliaire, ni circuit électronique de régu- lation En outre, l'invention procure des avantages liés à un faible encombrement des moyens utilisés, à leur grande fiabilité et à leur coût modique. De manière précise, le puits de chaleur ob- jet de l'invention est caractérisé en ce que les moyens aptes à évacuer les calories du bloc conducteur et à assurer une régulation de température sont cons- titués par un serpentin parcouru par un liquide de refroidissement en contact thermique avec le bloc, un réservoir de fluide dilatable intégré au bloc et com- portant un soufflet ayant une extrémité mobile, une chambre reliée en série avec le serpentin et traversée par le liquide de refroidissement, le soufflet étant situé dans cette chambre et baignant dans le liquide de refroidissement, cette chambre ayant une sortie susceptible d'être-en tout ou partie obturée par un pointeau mobile relié par une tige à l'extrémité mobi- le du soufflet, de sorte que le pointeau dégage -la sortie de la chambre et facilite l'écoulement du li- quide de refroidissement à travers le serpentin lors- que la température du puits excède une valeur de con- signe et inversement obture -la sortie et ralentisse l'écoulement du liquide à travers le serpentin lorsque la température est en-dessous de cette valeur de con- signe. On voit que de tels moyens remplissent bien les fonctions visées: l'évacuation des calories s'ef- fectue par le liquide de refroidissement et la régula- tion s'effectue de manière automatique par action sur le débit de ce liquide, sans nécessiter d'organe élec- tronique de mesure ou de correction Par ailleurs le nombre de pièces en mouvement étant très faible la fiabilité est grande et la robustesse remarquable En- fin tous les organes de régulation étant intégrés dans le bloc conducteur, l'encombrement du puits est à son minimum. Les caractéristiques de l'invention appa- ra Utront mieux après la description qui suit d'exem- ples de réalisation donnés à titre explicatif et nul- lement limitatif Cette description se réfère à des dessins annexés, qui font suite à la figure 1 déjà décrite et sur lesquels la figure 2 représente un premier mode de réalisa- tion de l'invention, la figure 3 représente un second mode de réalisa- tion. La figure 2 représente en coupe longitudina- le un puits de chaleur conforme à l'invention Selon un premier mode de réalisation tel que représenté, ce puits comprend un bloc métallique 40 percé de canaux cylindriques 42 destinés à recevoir des tubes d'expé- rimentation 44 (un seul tube est visible sur la figu- re), un serpentin 46 en contact thermique étroit avec le bloc 40, (par exemple au moyen d'un liquide 47 constitué par un métal liquide indium-gallium, ou par de la paraffine, de l'eau, de l'alcool etc), un connecteur hydraulique d'entrée 48 et une tubulure de sortie 50 Le liquide de refroidissement peut être quelconque mais, pour l'application spatiale envisa- gée, l'eau semble avantageuse ou le liquide désigné par FC 75. Le dispositif illustré comprend encore, dans un logement 52 percé dans le bloc 40 un ensemble de moyens constitué par-les éléments suivants:-un ré- servoir 54 rempli d'un fluide 55 présentant un fort coefficient de dilatation avec la température (un gaz par exemple ou un liquide comme l'alcool), ce réser- voir étant en appui sur une butée 59 et'se prolongeant par un soufflet 56 ayant une extrémité mobile 57 Ce soufflet est situé dans une chambre-:58 dans laquelle pénètre la tubulure de sortie 50 Le soufflet baigne donc extérieurement dans le liquide de refroidissement et intérieurement dans le liquide de détection de tem- pérature. La chambre 58 possède une ouverture 60 pou- vant être plus ou moins obturée par un pointeau 62, qui peut prendre appui sur un siège 63 Le pointeau 62 est relié par une tige 64 à l'extrémité mobile 57 du soufflet La tige 64 possède une butée 66 sur laquelle vient prendre appui un ressort 68 qui s'appuie par ailleurs sur le fond de la chambre 58 L'ouverture 60 communique avec une-tubulure de sortie 72 munie d'un connecteur hydraulique de sortie 74. Le dispositif représenté comprend encore et accessoirement un second soufflet 76 et une base 78 sur laquelle s'appuie un ressort 80 tenu par ailleurs par un bouchon 82 à filetage, dont l'enfoncement peut être réglé de l'extérieur par rotation Sur ce bouchon est fixée une butée élastique 83. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant Le liquide de refroidissement qui parcourt le serpentin 46 a un débit qui est fixé par la position du pointeau 62 par rapport à l'ouverture 60 Or, ce pointeau se déplace avec la tige 64 elle-même action- née par le soufflet 56 Celui-ci s'allonge lorsque le fluide qu'il contient se dilate sous l'effet d'une élévation de température et se rétracte sous l'effet inverse Le débit du liquide de refroidisssement se trouve donc modifié lors des variations de température du fluide contenu dans le réservoir, donc finalement lors des variations de température du puits On obser- vera qu'une augmentation de température a pour effet d'ouvrir le dispositif et d'augmenter le débit du li- quide En revanche, dans les vannes thermostatées classiques utilisées dans certains appareils de chauf- fage, la fonction est inversée: lorsque la températu- re s'élève la vanne se ferme De telles-vannes ne peu- vent donc être utilisées comme moyen de régulation comme c'est le cas dans l'invention. On observera encore que le système de régu- lation décrit est insensible à la pression du liquide de refroidissement, puisque l'élément de commande (en l'occurrence le soufflet 56) plonge dans ce liquide et est donc toujours à la pression de celui-ci. Lorsque la température du *puits est infé- rieure à une température de consigne le pointeau 62 est sur son siège et le liquide de refroidissement ne circule pas Lorsque la température s'élève la dilata- tion des soufflets 56 et 76 a pour effet de faire reculer la base 78, le pointeau restant toujours sur son siège Lorsque la base 78 vient en contact avec la butée élastique 83, le pointeau se dégage de son siège et le liquide de refroidissement commence à circuler. Le réglage de la température de consigne peut s'effectuer en enfonçant plus ou moins le bouchon 82, ce qui a pour effet de régler la position de la butée élastique 83 et, par suite, la température d'ou verture du pointeau 62 Des capteurs de température sont implantés en différents endroits de l'appa- reil afin de faciliter le réglage et la surveillance de la température de fonctionnement. Par ailleurs, la butée élastique 83 est un organe de sécurité qui cède sous la poussée de la base 78 lorsque cette poussée est trop élevée (par exemple dans le cas de surdhauffage due à un arrêt ou à un ralentissement extérieur de la circulation du liquide de refroidissement. Dans le mode de réalisation illustré-sur la figure 3, le fluide 55 dont la dilatation commande l'ouverture de la vanne est situé à l'extérieur du soufflet 56, le liquide de refroidissement étant alors à l'intérieur La tige 64 qui relie l'extrémité mobile 57 du soufflet au pointeau 62 traverse alors le souf- flet Mise à part cette différence de disposition le principe de cette variante est le même que précédem- ment:'lors d'une élévation de température, le souf- flet se contracte (au lieu de se dilater puisque le fluide 55 est à l'extérieur du soufflet> et sous l'ef- fet de cette déformation, le pointeau 62 s'écarte de son siège 63 ce qui a pour effet de mettre en circula- tion le liquide de refroidissement. Dans cette variante, comme dans la précéden- te, on obtient une compensation de pression puisque le soufflet baigne toujours dans le liquide de refroidis- sement. -2528960 Le mode de réalisation de la figure 3 se distingue encore de celui de la figure précédente par le fait que les moyens de réglage de la température agissent cette fois sur la position du siège A cette fin le siège 63 est solidaire d'une pièce mobile 90 dont la position peut être modifiée par action sur un bouton moleté 92. Naturellement, d'autres dispositions pour- raient être imaginées à partir de celles qui viennent d'être décrites sans sortir du cadre de l'invention. Dans une variante avantageuse, -le disposi- tif de l'invention peut comprendre en outre un joint métallique liquide 84 intercalé entre le canal cylin- drique 42 percé dans le bloc 40 et le tube d'expéri- mentation 44 Un tel joint favorise le transfert ther- mique entre le tube et le puits et améliore donc l'ef- ficacité de celui-ci Le métal employé doit être li- quide à la température de fonctionnement du puits, et il est de préférence, solide à la température ambiante (par exemple à 200 C) Un métal qui convient bien à cette utilisation est l'alliage indium-gallium dont le point de fusion est situé vers 500 C La conductibilité thermique des métaux liquides étant de l'ordre de W/m'C, avec une épaisseur de 1 mm, on obtient une conductance thermique d'environ 47 W/0 C, ce qui est bien meilleur qu'avec une couche d'hélium, o avec une couche d'épaisseur 0,2 mm la conductance thermique ne serait que de 2,6 W/0 C ou avec de l'air, o cette con- ductance serait de 0,5 W/0 C. La solution du joint métallique liquide of- fre un autre avantage Si le joint est solide à la température ambiante, il participe au maintien du tube d'expérimentation dans le puits, ce qui est particu- li-èrement utile pendant la phase de lancement et de mise en orbite du satellite o les vibrations risquent d'endommager le tube. Pour finir et à titre seulement explicatif, il peut être indiqué que le dispositif décrit est Ca-u pable d'évacuer 200 W à une température réglable entre 50 WC et 1000 C avec une régulation de température de - 1 C avec un liquide de refroidissement qui est de l'eau à une pression comprise entre 4,2 et 6 bars, cette eau ayant une température d'entrée nominale de 21 'C (minimum 41 C maximum 491 C) et une température de sortie de 930 C maximum avec un débit maximal de l'or- dre de 0,02 kg/s Le réservoir de fluide de-détection de température peut présenter un volume de 5 à 10 cm et le serpentin avoir une longueur de 4 à 6 mètres avec 4 mm de diamètre intérieur, ce serpentin peut être enroulé sur un diamètre moyen de 50 mm et com- prendre 37 spires - La définition d'un puits capable d'évacuer plus de 200 W est immédiate à partir de ces données par simple extrapolation. Naturellement, si l'appareil qui vient d'être décrit est qualifié pour être-utilisé à bord de satellites artificiels, il l'est -a-fortiori pour des matériels de laboratoire au sol. REVENDICATIONS 1 Puits de chaleur à régulation de tempéra- ture comprenant un bloc conducteur de la chaleur ( 40) et des moyens aptes à évacuer les calories de ce bloc et à assurer une régulation de température, caractéri- sé en ce que ces moyens comprennent un serpentin ( 46) parcouru par un liquide de refroidissement et en con- tact thermique avec le bloc, un réservoir ( 54) de fluide dilatable ( 55) intégré au bloc ( 40) et compor- tant un soufflet ( 56) ayant une extrémité mobile ( 57), une chambre ( 58) reliée en série avec le serpentin ( 46) et traversée par le liquide de refroidissement, cette chambre ( 58) ayant une sortie '( 60) susceptible d'être en tout ou partie obturée par un pointeau mobi- le ( 62) relié par une tige ( 64) à l'extrémité mobile ( 57) du soufflet ( 56), de sorte que le pointeau dégage la sortie de la chambre et facilite l'écoulement du liquide de refroidissement à travers le serpentin lorsque la température du puits excède une valeur de consigne et obture la sortie et ralentit l'écoulement du liquide à travers le serpentin lorsque la tempéra- ture est en-dessous de cette valeur de consigne. 2 Puits de chaleur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le fluide dilatable ( 55) est situé à l'intérieur du soufflet ( 56) et le liquide de refroidissement à l'extérieur du soufflet, et en ce que la tige ( 64) est située à l'extérieur du soufflet. 3 Puits de chaleur selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que l'extrémité du soufflet autre que l'extrémité ( 57) reliée à la tige ( 64) est reliée à une base ( 78) susceptible, lors de l'allonge- ment du soufflet, de venir en appui sur une butée élastique ( 83) reliée à des moyens de réglage de sa position. 4 Puits de chaleur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le fluide dilatable ( 55) est situé à l'extérieur du soufflet et en ce que la chambre ( 58) communique avec l'intérieur-du soufflet qui contient le liquide de refroidissement. Puits de chaleur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le bloc est percé d'un canal cylindrique ( 42) apte à recevoir au moins un tube d'expérimentation, ce canal étant recouvert d'une couche de métal allié ( 84) qui est liquide à la tempé- rature de fonctionnement du puits, un joint métallique liquide étant ainsi interposé entre le tube d'expéri- mentation ( 46) et le puits de chaleur. 6 Puits de chaleur selon la revendica- tion 5, caractérisé en ce que le joint métallique ( 84) est en alliage indium-gallium