Brevet FR2599131A1 — publié le 19871127

PANNEAU ET SYSTEME DE TRANSFERT THERMIQUE A POMPAGE PAR CAPILLARITE. Cette invention se rapporte à des systèmes de contrôle thermique et, en particulier, à un système de transfert thermique à deux phases, utilisant les principes d'un tube de chauffe, et aux panneaux de montage supportant un appareillage, à pompage par capillarité, qui sont utilisés dans ce système. Dans les activités spatiales courantes, les systèmes 10 spatiaux très importants et de longue durée, qui sont présentement planifiés, sont basés sur les grandes capacités de poussée de la Navette Spatiale Américaine. Ces satellites importants, ainsi que d'autres projets spatiaux, nécessiteront des systèmes de contrôle thermique avec une 15 capacité de multiples kilowatts, susceptible de collecter et de transporter de la chaleur à partir de divers soussystèmes vers des radiateurs de rejet de la chaleur. On s'attend à ce que les distances de transport soient de l'ordre de 10 à 30 mètres. Une technologie courante pour 20 les systèmes importants de transport de chaleur est basée sur des boucles de liquide en circulation. Ces systèmes tendent à être lourds et vulnérables à la perforation par les micrométéoroldes, ils présentent une efficacité thermique relativement faible (coefficients de couche limite), et ils nécessitent des quantités significatives de puissance de pompage. Etant donné que la durée de vie de pompage courante qui a été démontrée n'est que de 2-1/2 ans, les pompes et les soupapes nécessaires abaissent également la fiabilité du système. On peut alléger de nombreux pro30 blèmes propres aux systèmes thermiques utilisant un liquide en circulation, en utilisant un système de circulation à deux phases, à pompage par capillarité. Le liquide alimentant les panneaux de montage sur lesquels est fixé l'appareillage générateur de chaleur devrait recueillir de la chaleur par 35 évaporation. La vapeur devrait alimenter des puits thermiques, produisant de la chaleur par condensation. Par comparaison avec les systèmes à liquide en circulation, les vitesses d'écoulement de la masse et les tailles des canalisations de liquide devraient être réduites, les coefficients de couche limite devraient être supé5 rieurs, et la puissance de pompage devrait être éliminée. Les systèmes de tubes de chauffe à pompage par capillarité sont, naturellement, bien connus dans la technique antérieure, à la fois pour des applications basées au sol et pour des applications spatiales. Dans 10 la technique antérieure, également, J.T. POGSON et al (brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 040 478) enseignent qu'il est connu de prévoir des systèmes de tubes de chauffe présentant des évaporateurs et condenseurs séparés, reliés entre eux pour être en communication de fluide 15 par des canalisations indivuduelles de liquide et de vapeur. Cependant, ils n'enseignent pas de système ayant une structure de panneau supportant un appareillage, présentant une mèche en feuille, dans le panneau, interposée entre des rainures pour le liquide et des canaux 20 pour la vapeur, qui sont formés dans ledit panneau, de telle sorte qu'une pression capillaire élevée en vue d'une circulation des fluides efficace dans un système de tubes de chauffe, puisse être obtenue. Il existe un enseignement, donné par W.P. PECK 25 (brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 803 688) d'un tube de chauffe présentant une "mèche écran" d'un seul tenant, situé entre les rainures capillaires pour le liquide et l'espace pour la vapeur du dispositif. Bien que la structure présente une ressemblance superficielle avec la 30 configuration du panneau de la présente invention, PECK prévoit des rainures capillaires dans lesquelles doit circuler le fluide et la mèche écran décrite ici n'agit pas comme un moyen de pompage par capillarité comme dans la présente invention, mais elle présente purement et simple35 ment une fonction de décharge de la vapeur. En outre, à la différence du système PECK, les rainures de la présente invention recouvrent seulement une faible fraction de la surface de transfert thermique, et le dispositif à mèche poreuse, qui recouvre à la fois les rainures et le reste de la surface, sert à extraire le liquide suivant une direction transversale à l'axe des rainures, afin 5 d'humidifier complètement la surface. L'évaporation a lieu au niveau du ménisque, à l'interface liquide-vapeur près de la surface exposée du dispositif à mèche poreuse. La présente invention se rapporte à un système de contrôle thermique, comprenant une pluralité de panneaux 10 à pompage capillaire, disposés en parallèle dans un circuit de transfert thermique. Les moyens de passage de la vapeur et les moyens de passage du liquide dans chacun desdits panneaux sont en communication de fluide entre eux au moyen d'une mèche. Des canalisations de vapeur dédiées, 15 reliant lesdits moyens de passage de la vapeur des différents panneaux entre eux, sont prévues pour faire circuler la vapeur entre lesdits panneaux, et des canalisations de liquide dédiées, reliant lesdits moyens de passage du liquide des différents panneaux entre eux, sont pré20 vues pour faire circuler le liquide entre lesdits panneaux, le circuit étant alimenté par un fluide de travail pour tube de chauffe. Les panneaux supportent un appareillage en relation de transfert thermique avec eux, avec un appareillage d'émission de chaleur monté sur au moins l'un desdits panneaux, et un appareillage d'extraction de chaleur monté sur au moins un autre parmi lesdits panneaux, ce qui permet à une admission de chaleur dans un certain nombre desdits panneaux de provoquer une vaporisation, à partir des mèches, du fluide qu'ils contiennent, et à l'extraction de 30 chaleur hors des autres panneaux de provoquer une condensation du fluide qu'ils contiennent, de telle sorte que l'on obtienne une circulation de fluide par le pompage par capillarité desdites mèches, qui sert à transporter la chaleur entre des panneaux largement espacés entre eux 35 dans ledit circuit. Le panneau supportant un appareillage à pompage par capillarité, qui est destiné à être utilisé dans le système de contrôle thermique, comprend des première et seconde plaques, de même étendue, scellées ensemble, des moyens de passage de la vapeur dans ladite première plaque, des moyens de passage du liquide recouvets par une mèche en feuille dans ladite seconde plaque, lesdits passages étant en communication de fluide les uns avec les autres par l'intermédiaire desdits moyens de mèche. Sont prévus des ic moyens reliant lesdits moyens de passage de la vapeur à une canalisation de vapeur à l'extérieur dudit panneau et des moyens reliant lesdits moyens de passage du liquide à une canalisation de liquide à l'extérieur dudit panneau,lesdits moyens de passage du liquide et ladite mèche étant alimentés 20 par un fluide pour tube de chauffe. Cette invention est un système de contrôle thermique incorporant des panneaux à pompage par capillarité, utilisant les principes d'un tube de chauffe, de telle sorte qu'une boucle de transport thermique sans parties mobiles soit obtenue, Dans ce système, les moyens constitués par les panneaux à pompage par capillarité servent à la fois de moyens de support d'un appareillage d'émission de chaleur et, également, de moyens de pompage à circulation de fluide. Les moyens constitués par les panneaux peuvent fonctionner 25 soit comme absorbeurs de chaleur, soit comme dispositifs de rejet de la chaleur dans le circuit ou la boucle des fluides. Pour minimiser les pertes de pression par écoulement visqueux, les raccordements entre les moyens'constitués par les panneaux et les radiateurs dissipant la chaleur du 30 système sont formés au moyen de tubes ou canalisations séparés de liquide et de vapeur. Les moyens constitués par un panneau comprennent une paire de plaques planes, de même étendue, fixées l'une sur l'autre. Un réseau de rainures pour le liquide est prévu 35 sur la surface affleurante d'une plaque, et les rainures et la plus grande partie de la surface de la plaque sont recouvertes par une mèche en feuille mince, dotée de pores fins. Un réseau de canaux pour la vapeur est prévu dans la surface affleurante de l'autre plaque et les deux plaques sont réunies ensemble en relation hermétique. La communication de fluide entre les rainures pour le liquide et les canaux pour la vapeur s'effectue par l'intermédiaire de la mèche en feuille. Chaque panneau du système présente un moyen de distribution reliant le réseau des canaux pour la vapeur aux canalisations O10 de vapeur séparées, et le réseau de rainures pour le liquide, aux canalisations de liquide séparées des boucles de transfert thermique du système. Les réseaux de canaux pour la vapeur des panneaux sont reliés les uns aux autres, et les réseaux de rainures pour le liquide des 15 panneaux sont reliés les uns aux autres, de telle sorte que les panneaux soient reliés en parallèle dans le circuit de fluide. L'appareillage d'émission de la chaleur est monté sur le panneau, de préférence sur le côté présentant la plaque dotée du réseau des rainures pour le liquide, de telle sorte que l'admission de chaleur permette de faire évaporer le liquide sur la surface de la mèche en feuille. Le liquide qui s'évapore passe dans les canaux pour la vapeur et est amené, par les canalisations de vapeur, à un panneau agissant comme dispositif 25 de rejet de la chaleur. La vapeur condensée dans le panneau dispositif de rejet (condenseur) est recueillie et renvoyée par l'action capillaire des mèches en feuille dans les panneaux sources de chaleur (évaporateurs), et est renvoyée, sous forme de liquide, par la canalisation de liquide, au panneau à partir duquel elle s'est évaporée et le cycle est répété. Les avantages de la présente invention deviendront évidents si l'on examine les dessins annexés et la description qui suit. Dans le but d'illustrer l'invention, on a représenté, sur le dessin, les modes de réalisation qui sont préférés présentement: on comprendra cependant que l'invention n'est pas limitée nécessairement aux appareillages et dispositifs précis qui sont montrés ici. La figure 1 est une vue latérale, partiellement en coupe, du panneau à pompage par capillarité de la présente invention, des appareillages étant montés sur l'un de ses côtés; La figure 2 est une vue éclatée du panneau à pompage par capillarité de la présente invention; La figure 3 est une représentation schématique du 10 système de contrôle thermique de l'invention, et La figure 4 est une représentation schématique du système de contrôle thermique de la figure 3, sur lequel on a indiqué des paramètres typiques du système. Si l'on se réfère maintenant aux dessins, on voit que 15 les figures 1 et 2 montrent des détails de réalisation d'un panneau 10, à pompage par capillarité, qui est conforme à la présente invention. Le panneau 10 comprend, des première et seconde plaques planes, de même étendue, désignées par les chiffres de référence respectivement 12 et 14, 20 fixées entre elles par une mèche en feuille 16, qui est interposée entre elles. Les plaques 12 et 14 peuvent être fabriquées à partir de n'importe quel matériau convenable conducteur de la chaleur, tel que l'aluminium ou le cuivre. Un réseau 18 de rainures étroites 20 est pratiqué sur 25 la surface affleurante 22 de la plaque 12, afin d'alimenter la mèche en feuille qui recouvre les rainures et la plus grande partie de la surface de la plaque. Un réseau 24 de canaux 26 est prévu sur la surface affleurante 28 de la plaque 24. Le réseau de rainures 18 se trouve en commu30 nication de fluide grace à un orifice ou moyen de distribution approprié 29, avec une canalisation de liquide 30, et le réseau de canaux 24 se trouve en communication de fluide avec une canalisation de vapeur 32, au moyen d'un orifice ou moyen de distribution approprié 34. La mèche en feuille 16 peut être fabriquée à partir de tout matériau mince à effet de mèche pour tube de chauffe; cependant on préfère une feuille très mince de métal feutré présentant une taille de pores très fine. Lorsque le panneau 10 est monté, le réseau 18 des rainures pour le liquide est recouvert par la mèche 16 et les surfaces affleurantes 22 et 28 des plaques sont liées ensemble ou sont autrement scellées hermétiquement ensemble, par exemple au moyen d'une soudure 36 autour des bords contigus 38 et 40 des plaques. Pour assurer un effet de capillarité convenable, le bord périphérique 42 de la mèche en feuille s'étend vers l'extérieur sur tous les côtés au-delà du 10 périmètre des réseaux de rainures et de canaux. On comprendra que les divers paramètres dimensionnels et de structure du panneau 10 et de son appareillage associé, tels que les canalisations ou les tubes 30 et 32 respectivement pour le liquide et la vapeur, seront régis par l'environnement de l'utilisation et de la plage des températures à l'intérieur de laquelle le système fonctionnera. Cependant, de façon typique, le panneau 10 présentera une épaisseur inférieure à environ 13 mm (un demi-pouce), les rainures pour le liquide présenteront une largeur d'environ 1,6 mm (0,063 pouce) et une profondeur d'environ 1, 6 mm (0,063 pouce) et le réseau de rainures 18 présentera un espacement des rainures d'environ 13 mm (0,5 pouce). La figure 3 illustre, de façon schématique, un panneau 10 utilisé dans une boucle 50 de transfert de chaleur d'un système de contrôle thermique. Dans la représentation- du panneau 10 qui est faite ici, la ligne ondulée en diagonale représente la mèche en feuille 16, la section marquée "L" représente le réseau 18 des rai30 nures pour le liquide, et la section marquée "V" représente le réseau 24 des canaux pour la vapeur. Les appareillages d'émission de la chaleur, tels que les dispositifs 44, 46 et 48, dont on désire contrôler les températures, sont montés sur la surface 52 du panneau. Pour former la bou35 cle 50 de transfert de- chaleur, les panneaux 10 sont disposés en parallèle, les canalisations de liquide 30 et les réseaux 18 des rainures pour le liquide des panneaux étant reliés ensemble, et les canalisations de vapeur 32 et les réseaux 24 des canaux pour la vapeur des panneaux étant reliés ensemble. La boucle est reliée, en relation d'échange de cha5 leur, avec un radiateur 54, et elle peut être reliée à un échangeur de chaleur 56 d'une autre boucle 58 de transfert de chaleur. La boucle est apprêtée pour son fonctionnement par l'installation d'une quantité appropriée de fluide de travail pour tube de chauffe, de façon typique, du Fréon, de l'ammoniaque, ou de l'eau (non représenté) en règle générale jusqu'à ce que les canaux pour le liquide et les mèches en feuille des panneaux soient saturés, et la boucle est hermétiquement scellée conformément à la pratique normale. En raison du fait que l'on a prévu le réseau 18 des rainures 20 pour le liquide dans les panneaux, le chemin d'écoulement du liquide dans la mèche 16 en feuille métallique poreuse, est raccourci. Un court chemin d'écoulement est souhaitable, parce que la mèche 20 en feuille doit être gardée mince pour empêcher une ébullition nuclée, dans des conditions de flux de chaleur élevé (>2 Watts/cm2), et la combinaison d'une aire d'écoulement de faible section et d'une perméabilité de mèche faible conduirait sinon à des pertes de pression de liquide 25 excessives. En fonctionnement, une admission de chaleur, telle que celle provenant d'un appareillage d'émission de chaleur dans un panneau 10, provoque une évaporation de liquide au niveau du ménisque, à l'interface liquide-vapeur 30 près de la surface exposée de sa mèche en feuille 16. De la vapeur provenant du liquide qui s'est évaporé passe dans le réseau 24 des canaux pour la vapeur et, de là, dans la canalisation de vapeur 32, o elle est amenée au panneau associé au radiateur 54. Si la boucle 58 de trans35 fert thermique se trouve dans un mode d'extraction de chaleur, la vapeur s'écoulera aussi vers le panneau associé à l'échangeur de chaleur 56. La situation dans laquelle la boucle 58 de transfert thermique est fermée et un appareillage 46 est mis temporairement hors service, de telle sorte que son panneau associé agisse comme puits de refroidissement, est illus5 trée sur la figure 3. Comme cela est indiqué par les flèches 60, la vapeur provenant du panneau associé à l'appareillage 48 d'émission de chaleur s'écoule à la fois vers le panneau associé à l'appareillage inactif 46 et vers le panneau du radiateur 54, et la vapeur provenant 10 du panneau associé à l'appareillage 44 s'écoule vers le panneau associé au radiateur 54. La vapeur condensée dans les panneaux associés au radiateur 54 et à l'appareillage 46 est pompée par la mèche 16 de chacun de ces panneaux et envoyée, par l'intermédiaire de la canalisation de liquide 30, vers les panneaux associés aux appareillages 44 et 48 d'émission de chaleur, o l'action de capillarité conduit à la saturation des mèches des panneaux. Une admission de chaleur continue dans les panneaux provoque une vaporisation du liquide à la surface de la mèche 20 en feuille et le cycle est répété. Une représentation schématique des paramètres usuels de système, pour un système de contrôle thermique typique destiné à un système spatial très important, présentant des distances de transport de la chaleur allant 25 jusqu'à 25 mètres, est montrée sur la figure 4. Bien que l'on ait représenté sur les dessins et décrit ce que l'onestime être les modes de réalisation les plus pratiques et que l'on préfère le plus, il est évident que les modifications faites à partir des méthodes et 30 structures spécifiques décrites et représentées ici viendront naturellement à l'idée de l'homme du métier, et pourront être effectuées sans s'écarter pour autant de l'esprit et du domaine de l'invention. Par conséquent, la Société déposante ne souhaite pas se restreindre aux structures particulières décrites et illustrées présentement, mais désire se protéger pour toutes les modifications qui tombent dans le domaine de protection de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Système de contrôle thermique caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de panneaux (10) à pompage par capillarité, disposés en parallèle dans un circuit (50) de transfert thermique, des moyens (24) de passage de la vapeur et des moyens (18) de passage du liquide dans chacun desdits panneaux (10) en communication de fluide entre eux au moyen d'une mèche (16), des canalisations de vapeur (32) dédiées reliant lesdits moyens (24) de passage de la 10 vapeur des différents panneaux (10) entre eux, pour faire circuler la vapeur entre lesdits panneaux,des canalisations de liquide (30) dédiées reliant lesdits moyens (18) de passage du liquide des différents panneaux-(10) entre eux, pour faire circuler le liquide entre lesdits panneaux, ledit circuit (50) étant alimenté par un fluide de travail pour tube de chauffe, lesdits panneaux (10) supportant un appareillage en relation de transfert thermique avec eux, un appareillage (44, 48) d'émission de chaleur monté sur au moins l'un desdits panneaux (10), et un appareillage (46) 20 d'extraction de chaleur monté sur au moins un autre parmi lesdits panneaux (10), ce qui permet à une admission de chaleur dans un certain nombre desdits panneaux (10) de provoquer une vaporisation, à partir desdites mèches (16), du fluide qu'ils contiennent, et à l'extraction de chaleur 25 hors des autres panneaux (10) de provoquer une condensation du fluide, de telle sorte qu'on obtienne une circulation de fluide par le pompage par capillarité desdites mèches (16), qui sert à transporter de la chaleur entre des panneaux (10) largement espacés l'un de l'autre dans 30 ledit circuit. 2.- Système de contrôle thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la mèche (16) présente une porosité isotrope, de telle sorte que le liquide soit extrait transversalement à l'axe des moyens (18) de passage 35 des liquides, sur l'une ou l'autre de ses extrémités, afin d'humidifier complètement la mèche (16) exposée aux moyens (24) de passage de la vapeur. 3.- Panneau supportant un appareillage, à pompage par capillarité, destiné à être utilisé dans un système de contrôle thermique, caractérisé en ce qu'il comprend des première et seconde plaques (12, 14), de même étendue, scellées ensemble, des moyens (24) de passage de la vapeur dans ladite première plaque (14), des moyens (18) de passage du liquide recouverts par une mèche de feuille (16) dans ladite seconde plaque (12), lesdits passages (i8, 24) étant en communication de fluide l'un avec l'autre par 10 l'intermédiaire de ladite mèche (16), des moyens (32) reliant lesdits moyens (24) de passage de la vapeur à une canalisation de vapeur à l'extérieur dudit panneau, des moyens (30) reliant lesdits moyens (18) de passage du liquide à une canalisation de liquide à l'extérieur dudit panneau, lesdits moyens (18) de passage du liquide et ladite mèche (16) étant alimentés par un fluide pour tube de chauffe. 4.- Panneau de montage selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les plaques (12, 14) présentent une 20 configuration dans un plan, qui est aplatie. 5.- Panneau de montage selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé par le fait que les moyens (24) de passage de la vapeur sont constitués par un réseau de canaux (26) pour la vapeur, pratiqué dans sa surface affleurante (28) de la première plaque (14), et les moyens (18) de passage du liquide sont constitués par un réseau de rainures (20) pour le liquide, pratiqué dans la surface affleurante (22) de la seconde plaque (12). 6.- Panneau de montage selon l'une des revendications 30 3 à 5, caractérisé par le fait que la mèche (16) est une mèche en feuille mince à pores fins, procurant une faible chute de température à travers elle et une différence de pression capillaire élevée. 7.- Panneau de montage selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé par le fait que la vaporisation de fluide provenant de la mèche (16) va de la surface de la mèche (16) sur le côté des moyens de passage de la vapeur. 8.- Panneau de montage selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé par le fait que la vaporisation du fluide provenant de la mèche (16) se produit au niveau du ménisque, à l'interface liquide-vapeur à proximité 5 du côté de passage de la vapeur de ladite mèche (16). 9.- Panneau de montage selon l'une des revendications 3-à 8, caractérisé par le fait que les moyens (18) de passage du liquide présentent la même étendue que la mèche (16), ce qui permet à des courtes longueurs d'écoulement du liquide de conduire à une faible chute de pression de la mèche. 10.- Panneau de montage selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé par le fait que la mèche (16) présente une porosité isotrope, de telle sorte que le liquide est extrait transversalement à l'axe des moyens (18) de passage du liquide sur l'un ou l'autre de ses côtés, afin d'humi.difier complètement la mèche (16) exposée aux moyens (24) de passage de la vapeur.