Brevet FR2583860A1 — publié le 19861226

AGENCEMENT POUR LE REFROIDISSEMENT DE SURFACES La présente invention concerne un agencement pour le refroidissement intense de surfaces, dans lequel la surface à refroidir est aménagée en tant que partie de la paroi d'une cavité qui présente une surface périphérique sensiblement cylindrique et qui est parcourue par un fluide réfrigérant liquide, et une conduite d'amenée de ce fluide réfrigérant débouche à proximité de la surface périphérique, une autre conduite étant prévue pour évacuer le fluide réfrigérant hors de la cavité. La nécessité d'un refroidissement particulièrement intense se rencontre par exemple dans le cas des surfaces o arrivent des décharges électriques de forte puissance, ou des surfaces bombardées par des corpuscules arrivant en faisceaux intenses. Il est connu.que la surface à refroidir soit réalisée sous la forme d'une paroi d'une cavité parcourue par un liquide réfrigérant. La puissance maximale que ce liquide réfrigérant peut évacuer de cette paroi est limitée par la formation de bulles de vapeur. Les surfaces à refroidir pour lesquelles l'invention est particulièrement appropriée sont, par exemple, des parties de support pour la vaporisation de matières dans le vide par bombardement électronique, et pour la pulvérisation cathodique de cibles par bombardement ionique. Un écoulement laminaire du fluide réfrigérant est inapproprié à l'évacuation de grands débits de chaleur en présence de fortes densités de puissance, puisque les volumes de liquide échauffés par la paroi chaude balayent celle-ci en restant en contact avec elle, d'o il résulte que, notamment si la paroi constitue une délimitation supérieure horizontale de la cavité de refroidissement, il se produit à peine un échange de chaleur avec les parties plus froides de l'écoulement liquide laminaire. Pour améliorer le refroidissement, on a donc déjà proposé de réaliser un écoulement turbulent, ce qui s'effectue par exemple en accroissant la pression, d'o production d'une plus grande vitesse d'écoulement et par conséquent formation de tourbillons. Le domaine de la limite entre écoulement laminaire et écoulement turbulent doit, selon un point de vue adopté jusqu'à présent, être particulièrement efficace du point de vue du refroidissement lorsqu'il s'agit d'échangeurs de chaleur à grande surface (ce pourquoi on s'efforce de réaliser ce domaine-limite, par exemple dans la construction de centrales d'énergie). Toutefois, pour les fins recherchées par la présente invention, cette disposition connue est insuffisante. Pour produire des tourbillons, il est nécessaire que l'écoulement soit adapté à la géométrie de la surface à refroidir et, éventuellement aussi à une charge localement différente, ce qui est réalisé au moyen d'éléments de guidage agencés longitudinalement et transversalement. Toutefois, ces éléments de guidage gênent aussi l'écoulement, notamment le long des arêtes et des angles, ce qui favorise la formation de grosses bulles de vapeur. Si ces bulles se développent dans des régions o l'écoulement est intense, elles peuvent alors être partiellement éliminées par entraînement. Toutefois, le refroidissement par le liquide est souvent empêché totalement par des bulles de vapeur. En outre, le dépôt de calcaire réduit le transfert de chaleur dans de telles zones critiques et exige des nettoyages fréquents. Comme déjà indiqué, il est connu qu'une grande vitesse d'écoulement du fluide réfrigérant permet certes d'enlever les bulles de vapeur de la surface chaude, tant qu'elles sont encore petites et que la brièveté du temps pendant lequel elles adhèrent à la paroi a pour effet qu'elles ne gênent que légèrement le contact avec le fluide réfrigérant. Toutefois, cela ne peut être atteint qu'avec un important débit de réfrigérant, c'est-à-dire avec une perte de charge d'importance correspondante entre l'entrée et la sortie du fluide réfrigérant. En cas d'utilisation d'eau de refroidissement calcaire, il convient en outre de tenir compte de ce que la limite inférieure du débit d'eau nécessaire est imposée par le fait qu'aux endroits o le courant d'écoulement est moindre la température maximale ne doit pas dépasser celle au-dessus de laquelle la précipitation de carbonate de calcium croît fortement. Comme on le sait, cette température est une fonction de la dureté de l'eau. De ces données, il résulte que les frais d'exploitation sont souvent notablement alourdis par une forte consommation de fluide réfrigérant. La présente invention a pour but de réduire cette consommation. Du point de vue écologique, il est en outre souhaitable que le problème du refroidissement soit résolu avec une moindre consommation de liquide réfrigérant. Selon l'invention, le but mentionné est atteint par le fait que l'embouchure de la conduite d'amenée est aménagée en tuyère et est disposée de manière telle que' le fluide de refroidissement entre dans la cavité, tangentiellement à la paroi intérieure de celle-ci, et se trouve mis en rotation autour d'un axe, et par le fait que la conduite d'évacuation du fluide réfrigérant est disposée sur cet axe. L'invention est basée sur la prise en compte du fait que la cavité dotée d'une surface à refroidir doit être exempte d'éléments de guidage dans la région de cette surface, là o elle est exposée à la plus forte densité de puissance. En effet, chaque tel élément de guidage réduit la vitesse d'écoulement du fluide réfrigérant, et cela de manière particulièrement forte sur les arêtes et les angles des éléments de guidage. L'influence de ces derniers pourrait certes être réduite par une liaison bonne conductrice de la chaleur avec la surface à refroidir, et par une conception soigneuse du transfert de chaleur (l'accroissement de la surface de contact à refroidir compensant partiellement la diminution de la vitesse d'écoulement). Toutefois, les coûts de réalisation d'une telle solution seraient considérables. Le niveau élevé surprenant de l'effet de refroidissement obtenu avec l'agencement selon l'invention peut être probablement expliqué par le fait qu'un écoulement suffisamment rapide pour décoller et entraîner les bulles de vapeur est produit, lors de l'admission du fluide réfrigérant au moyen d'une tuyère, la chute de pression de ce fluide, entre entrée et sortie, étant convertie en énergie cinétique, pratiquement sans perte. Il est recommandé que les conduites d'arrivée et de départ de fluide aient une grande section droite, afin que le gradient de pression disponible dans celle-ci ne soit pas consommé en proportion trop importante par formation d'un écoulement turbulent. La solution prévue par l'invention peut être réalisée de manière particulièrement efficace lorsque les surfaces à refroidir ont une forme plate et circulaire, ou discoidale, l'amenée de fluide réfrigérant pouvant s'effectuer dans la cavité prévue pour le refroidissement, tangentiellement à la paroi intérieure de celle-ci. Autre fait contribuant au rendement élevé d'un agencement de refroidissement selon l'invention: une fois qu'une bulle de vapeur a été détachée de la paroi, la condensation en phase liquide dans son environnement l'emporte puisqu'il n'y a pas d'autre apport de chaleur, de sorte qu'il ne peut pas y avoir d'autre formation de vapeur et que cette bulle "s'effondre" rapidement. La petite quantité de gaz permanent qui était dissoute dans l'eau et qui n'est pas remise en solution après avoir fait partie des bulles disparues est poussée vers l'intérieur sous l'effet de la centrifugation à laquelle le liquide de refroidissement est soumis. De tels gaz sont aussi refoulés, pour la même raison, le long du fond du creuset, vers son milieu d'o ils peuvent être aspirés par le fluide évacué. Alors que, dans les agencements de refroidissement connus, il était nécessaire que les parois de la cavité parcourue par le fluide réfrigérant soient aussi structurées que possible, afin d'obtenir la formation de tourbillons, il est par contre, selon l'invention, plus avantageux que Les parois soient aussi lisses que possible. en effet, les pertes inhérentes à l'écoulement sont ainsi maintenues à une faible valeur, et la vitesse du fluide réfrigérant reste presque conservée jusqu'au centre. Comme le carré de la vitesse détermine l'énergie cinétique, alors que c'est l'impulsion qui est décisive pour l'enlèvement des bulles de vapeur, l'effet avantageux peut être observé jusqu'au centre de la surface refroidie. La conservation de l'impulsion de rotation agit en outre à l'encontre des pertes d'écoulement du fluide réfrigérant lors de la transition vers des rayons toujours plus petits, d'o il résulte un accroissement de la fréquence de rotation. Ainsi, la force centrifuge K = mir reste importante jusqu'à de très petits rayons, et il en est donc de même de la force pressant le fluide réfrigérant contre la paroi à refroidir, de sorte que l'évacuation de chaleur est indépendante de la position de montage. On décrira maintenant plus en détail une forme de réalisation particulière de l'invention qui en fera mieux comprendre les caractéristiques essentielles et les avantages, étant entendu toutefois que cette forme de réalisation est choisie à titre d'exemple et qu'elle n'est nullement limitative. Sa description est illustrée par les dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 représente une vue en coupe verticale d'un creuset refroidi selon l'invention, ce creuset étant utilisé pour la vaporisation d'une matière au moyen d'un faisceau d'électrons; et - la figure 2 représente une vue en coupe selon la ligne A-A de la figure 1. Comme on peut le voir sur le dessin, le corps de creuset désigné par la référence 1 est constitué par une plaque de base 2 et par une partie supérieure 3 assemblée à cette plaque de base, ces deux éléments formant ensemble une cavité 4 qui peut être parcourure par un fluide réfrigérant liquide, habituellement de l'eau. Le fluide réfrigérant est amené par une conduite tubulaire 5 et évacué par une conduite tubulaire centrale 6 entourée- par la précédente. Le creuset contient le produit à fondre et à évaporer 8 qui, lors de l'utilisation, est bombardé par un faisceau d'électrons riches en énergie produits par un canon à électrons (non représenté), et qui est ainsi échauffé. Ce faisant, une très grande puissance électrique est transmise à la surface 9, relativement petite, du fond du creuset, et cette puissance doit être évacuée en majeure partie par les parois du creuset, par refroidissement, afin d'éviter la surchauffe et par conséquent la fusion du creuset. Afin d'amener le fluide réfrigérant au côté dessous 9 du fond du creuset, lequel côté doit être particulièrement refroidi, on a prévu, conformément aux lignes directrices de l'invention, un insert 10 qui repose sur un renflement annulaire 11 de la plaque de base auquel il est assemblé, d'o il résulte un volume 13 de répartition de fluide réfrigérant. L'anneau ou renflement 11 présente plusieurs canaux 14 aménagés en forme de tuyères de Laval (deux sont représentés), par lesquels le fluide réfrigérant pénètre dans la cavité 4. La somme des sections transversales de toutes les ouvertures de sortie desdites tuyères doit être petite par rapport à la section transversale du fluide réfrigérant dans la conduite d'arrivée et de départ, et par rapport au diamètre de la cavité cylindrique ou encore de la surface du fond du creuset. La direction des jets ou courants de fluide réfrigérant sortant des tuyères 14 doit être autant que possible tangentielle à la paroi interne de la cavité et, dans le présent exemple d'application, autant que possible parallèle au côté dessous du fond 9 du creuset. En tournant autour de l'axe 15 de l'agencement, le fluide réfrigérant balaye alors constamment le côté dessous du fond du creuset à refroidir, ce balayage ayant lieu radialement de l'extérieur vers l'intérieur, puis est évacué par la conduite tubulaire centrale 6. Le progrès atteint par l'invention est démontré par des mesures effectuées sur des évaporateurs à faisceau électronique aménagés selon l'invention. A cette fin, le creuset en cuivre de l'évaporateur a été exposé à un faisceau électronique ayant une puissance de kW. L'eau de refroidissement amenée (4 litres/minute) à une température de 11 C sortait à une température de 46 C, ce qui correspond à un échauffement de 35 C. Par contre, avec un creuset de mêmes dimensions, refroidi de manière classique, et avec un faisceau électronique de même puissance, il faut au moins 12 litres d'eau de refroidissement par minute. L'économie d'eau de refroidissement a donc été de 2/3 avec un agencement 8 2583860 selon l'invention. Dans un autre exemple, l'eau de refroidissement avec laquelle on refroidissait une cible dans une installation de pulvérisation cathodique à refroidissement classique, était échauffée de 7 C lorsque la puissance libérée sur la cible par la pulvérisation cathodique était de 40 kW. Malgré ce faible échauffement, il y a néanmoins eu, lorsqu'on a tenté d'augmenter la puissance au-delà de la limite précitée, un régime continuel de coups de bélier dans les tuyaux d'eau, et les joints d'étanchéité en élastomère, prévus pour assurer l'étanchéité de la cible par rapport aux canaux d'eau de refroidissement, ont même parfois brûlé. Après mise en place d'un système de refroidissement selon l'invention, le débit d'eau de refroidissement a pu être ramené de 67 litres par minute à 19 litres par minute et, pour la même puissance de 48 kW, l'échauffement a été de 35,5 C. Avec une température d'eau de refroidissement de 13 C à l'entrée, on a même alors pu porter la puissance fournie notablement audelà de la limite précitée, sans l'apparition d'une quelconque perturbation fontionnelle. Dans cet exemple, le progrès atteint par l'invention s'est donc manifesté par la possiblité d'admettre une température sensiblement plus élevée de l'eau de refroidissement, et par conséquent une meilleure utilisation de celle-ci, sans compromettre le fonctionnement du dispositif. Naturellement, l'invention n'est en rien limitée par les particularités qui ont été spécifiées dans ce qui précède ou par les détails du mode de réalisation particulier choisi pour illustrer l'invention. Toutes sortes de variantes peuvent être apportées à la réalisation particulière qui a été décrite à titre d'exemple et à ses éléments constitutifs sans sortir 9 2583860 pour autant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe ainsi tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons. REVENDICATION Agencement pour le refroidissement de surfaces, dans lequel la surface à refroidir (9) est aménagée en tant que partie de la paroi (4) d'une cavité qui présente une surface périphérique sensiblement cylindrique et qui est parcourue par un fluide réfrigérant liquide, et une conduite (5, 13, 14) d'amenée de ce fluide réfrigérant débouche à proximité de la surface périphérique, une autre conduite (6) étant prévue pour évacuer le fluide réfrigérant hors de la cavité, caractérisé en ce que l'embouchure de la conduite d'amenée est aménagée en tuyère (14) et est disposée de manière telle que le fluide réfrigérant entre dans la cavité (4), tangentiellement à la paroi intérieure de celle-ci, et se trouve mis en rotation autour d'un axe (15), et en ce que la conduite d'évacuation (6) du fluide réfrigérant est disposée sur cet axe (15).