Brevet FR2604370A1 — publié le 19880401

- t- DISPOSITIF ET PROCEDE DE PIEGEAGE THERMO-ELECTRIQUE DE VAPEUR CHAMP DE L'INVENTION Le gouvernement des Etats-Unis possède des droits sur cette invention en conséquence du contrat N W-7405-ENG-48 entre le U.S. Department of Energy et l'Université de Californie destiné à être exécuté dans le cadre du Laurence Livermore National Laboratory. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION La présente invention se rapporte généralement a la col- lecte de vapeurs passant dans un tube et plus particulièrement à une technique spécifique de piégeage de vapeurs condensables grâce à la condensation de ces dernières dans une partie spécifique du tube. Des dispositifs thermoélectriques sont bien connus dans la profession. Un tel dispositif peut être acheté chez Melcor, sous le n de modèle: CPS-31-O10L. Ce type particulier de dispositif com- prend un côté chaud et un côté froid opposé (en réalité des faces planes). Lorsqu'il est mis sous tension électrique grâce à une source convenable d'électricité, le cOté chaud monte en température, à par- tir, par exemple de la température ambiante et le côté froid baisse de température. Les variations exactes de température dépendent de la puissance du dispositif particulier. Des dispositifs de ce type géné- ral peuvent fonctionner en série de sorte que l'on peut faire fonc- tionner le c5té froid à des températures très basses, en fonction des besoins de dissipation de chaleur. Des dispositifs thermo-électriques du type décrit sont utilisés de façon typique, par exemple, dans le but de refroidir des dispositifs électroniques. Comme on le verra dans ce qui suit, le de- mandeur a découvert qu'un dispositif absolument identique peut être utilisé en tant que partie d'une technique très simple mais cependant fiable pour le piégeage de vapeur condensable pendant que cette der- nière passe dans un tube. Résumé de l'invention Un objet de la présente invention est de fournir une technique simple et cependant fiable pour condenser une vapeur conden- sable lorsque cette dernière passe dans une section de tube utilisant - 2- un dispositif thermo-électrique du type général décrit ci-dessus. Un objet plus particulier de la présente invention est de piéger d'une façon spécifique les vapeurs ainsi condensées par le dispositif thermo-électrique. Un autre objet particulier de la présente invention est de fournir une façon spécifique de refroidir le côté chaud du dispo- sitif thermo-électrique utilisé dans la technique générale, spécifi- quement une façon qui permet d'obtenir des températures du côté froid sensiblement plus basses que celles que peut procurer un seul dispo- sitif thermoélectrique donné. Comme on le verra plus loin, la technique consistant à condenser et à piéger une vapeur condensable, telle que décrite ici, comprend une section prédéterminée du tube dans lequel s'écoule la vapeur condensable, de préférence une section-de tube qui a une con- figuration telle qu'elle délimite au moins une forme de U et de façon plus préférable un parcours d'écoulement pour la vapeur en forme de serpentin et muni d'ailettes. La technique décrite comprend aussi un moyen comportant le dispositif cité précédemment, de telle sorte que le côté froid de ce dernier est positionné suffisamment très près d'une section prédéterminée du tube et est suffisamment froid pour provoquer la condensation de la vapeur condensable qui passe dans cette section du tube. En même temps la technique fournit un moyen pour refroidir le côté chaud du dispositif. Des objets complémentaires,des avantages et des caracté- ristiques nouvelles de l'invention seront exposés pour partie dans la description qui suit, et pour partie, deviendront évidentes pour les personnes de la profession à l'examen de ce qui suit ou pourront être apprises par la mise en pratique de l'invention. Les objets et avantages de l'invention peuvent être réalisés et atteints au moyen des instruments et des combinaisons qui ressortent particulièrement des revendications annexées. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les dessins d'accompagnement qui sont incorporés dans la description et qui en constituent une partie représentent une forme de réalisation de l'invention et, conjointement avec la description - 3- servent à expliquer les principes de l'invention. La figure 1 est une vue en perspective d'un montage des- tiné à condenser et à piéger une vapeur, ledit arrangement étant con- çu selon la présente invention. La figure 2 est une vue en coupe transversale du monta- ge de la figure 1, selon généralement la ligne 2-2 de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe de face du montage de la figure 1, selon généralement la ligne 3-3 de la figure 2. La figure 4 représente une modification du montage des figures 1 à 3. Description détaillée de l'invention On se réfèrera maintenant en détail à une forme de réa- lisation préférée de l'invention, dont un exemple est représenté dans les dessins d'accompagnement. Bien que l'invention soit décrite en relation avec une forme de réalisation préférée de l'invention, on comprendra qu'il n'est pas envisagé de limiter l'invention à cette forme de réalisation. Au contraire, il est envisagé de couvrir toutes les alternatives, modifications et équivalents qui peuvent être com- pris dans l'esprit et le champ de l'invention telle que définie par les revendications annexées. En se référant maintenant aux dessins dans lesquels les mêmes composants sont désignés par la même référence numérique dans les différents dessins, on représente un montage 10 général conçu se- lon la présente invention. Ce montage est conçu pour condenser et piéger de la vapeur condensable passant dans un tube qui porte géné- ralement la référence 12. Le tube est montré s'étendant dans une di- rection verticale et le trajet d'écoulement pour les vapeurs à l'in- térieur du tube est dirigé vers le bas comme indiqué grâce aux flè- ches 13. Le montage général 10 comporte une section 14 du tube 12 dé- terminée à l'avance. Cette section a de préférence une configuration telle qu'elle définit un trajet en forme de serpentin pour le cou- rant 13 de vapeur, comme représenté le mieux possible dans les figu- res 1 et 3. Comme on le verra ci-après, le montage 10 a pour fonction de condenser à l'intérieur du tube dans sa section 14 toutes les va- peurs condensables qui y passent et la forme particulière de la sec- -4- tion du tube sert à piéger le condensat à l'intérieur de ses limites pour qu'il soit éventuellement évacué. En se référant toujours à la figure 1 ainsi qu'aux figu- res 2 et 3, le montage 10 est représenté comprenant un logement 16 qui s'étend verticalement ayant au moins une paroi latérale 18 plane fabriquée en un matériau thermiquement conducteur, par exemple un métal. Un segment 12 de tube allongé comprenant l'ensemble de la sec- tion 14 est contenu à l'intérieur du logement 16 le long d'une pla- que 20 de support qui est également fabriquée en un matériau forte- ment conducteur de la chaleur, par exemple du cuivre ou de l'alumi- nium. L'élément plaque 20 est brasé ou relié convenablement d'une au- tre manière par un de ses côtés directement à la surface intérieure d'une paroi latérale du logement tandis que la section 14 du tube 12 est soudée ou reliée convenablement d'une autre façon directement à la paroi latérale 18 à l'opposé de la plaque 20. De cette façon et pour des raisons qui doivent être exposées ci-dessous, un parcours fortement conducteur de chaleur se trouve défini entre la surface ex- térieure de la paroi latérale 18 et la section 14 du tube. Selon un des aspects de la présente invention, le monta- ge général 10 comprend un dispositif thermoélectrique du type géné- ral décrit plus haut. Ce dispositif qui porte généralement la réfé- rence 22 dans les figures 1 et 2 comporte un côté froid 24 et un cO- té chaud 26. Le dispositif thermoélectrique est mis sous tension grâce à une source d'électricité généralement référencée 28. Dans une forme de réalisation fonctionnant réellement, le dispositif 22 est du type spécifique exposé plus haut, c'est-à-dire un dispositf acheté- chez Melcor sous le no de modèle CPS-31-10L et la source électrique 28 est une alimentation en courant continu. On peut faire fonctionner ce dispositif particulier de façon à ce que son côté froid 24 chute sen- siblement en température par rapport à la température ambiante tandis que son côté chaud, à moins d'être refroidi extérieurement, verra sa température s'élever. En se référant toujours aux figures 1 et 2, le disposi- tif thermoélectrique 22 est soutenu par tout moyen convenable de fa- çon que son cOté froid repose directement contre la surface extérieu- - re de la paroi latérale 18 du logement en alignement direct avec l'élément plaque 20. De cette façon le côté froid du dispositif ther- mo-électrique sert à refroidir la paroi latérale 18, l'élément pla- que 20 et éventuellement la section 14 du tube. Ces différents com- posants sont choisis de telle sorte que le tube 14 est suffisamment refroidi pour condenser les vapeurs condensables passant dans la sec- tion du tube. Un type de vapeur envisagé est la vapeur d'eau qui gèle sous la forme solide à partir de son état de vapeur à une température d'environ 32 F (0 C) à la pression atmosphérique. C'est pourquoi le dispositif thermo-électrique doit être conçu pour obtenir cet effet. Dès que la vapeur se condense, le condensat tend à rester piégé à l'intérieur de la section 14 du tube en raison de sa forme de serpen- tin bien que la section 14 du tube puisse être dessinée avec d'autres configurations capables de piéger le condensat ou que ce dernier ait la possibilité de se déplacer dans le tube en phase liquide o il est piégé dans un endroit à l'écart. Dans tous les cas, des moyens conve- nables (non représentés) peuvent être ménagés pour évacuer le conden- sat après qu'une quantité suffisante se soit accumulée. Par exemple la section 14 du tube peut être réalisée de façon a pouvoir être ra- pidement détachée du reste du tube, ou bien elle pourrait comporter une sorte de porte de piège ou un bouchon amovible. Pour faire fonctionner le dispositif thermo-électrique en continu pendant une longue période et/ou pour empêcher l'environne- ment ambiant de surchauffer (ce qui peut être important dans certaines circonstances) le montage général 10 comprend des moyens convenables pour refroidir en continu le côté chaud 26 du dispositif 22. Dans le mode de réalisation particulier représenté les moyens utilisés com- prennent un tube de refroidissement généralement référencé 30, compor- tant une partie placée directement contre le côté chaud 22 grâce à un moyen convenable non représenté. On fait passer un fluide de refroi- dissement approprié, comprenant de l'eau mais pas uniquement, réfé- rencé généralement par les flèches 32. Bien que non représenté le tu- be de refroidissement peut être raccordé à une sorte d'échangeur de chaleur pour transférer la chaleur captée par le fluide de refroidis- sement dans le côté chaud du dispositif thermo-électrique. -6- Bien que le dispositif général 10 ait été décrit comme généralement destiné à condenser la vapeur condensable à l'intérieur du tube, il est particulièrement convenable pour être utilisé dans les petites installations de vide. Le montage 10 a été décrit comme comportant un tube de refroidissement destiné à refroidir le côté chaud 26 du dispositif thermo-électrique 22. La figure 4 représente un montage 34 modifié pour assurer la même fonction avec des avantages supplémentaires. A part ce montage qui va être décrit immédiatement ci-dessous, les au- tres composants représentés à la figure 4 correspondent identiquement à ceux du montage 10 représentés dans les figures I à 3. Ces compo- sants identiques montrés dans la figure 4 comprennent la section 14 du tube, l'élément plaque 20, le logement 16 et le dispositif thermi- que 22. En se référant toujours à la figure 4, le dispositif de refroidissement 34 comprend une pluralité de dispositifs thermo-élec- triques empilés (en série et/ou en parallèle) comme représenté à ti- tre d'exemple par les dispositifs 36 et 38. Chacun de ces dispositifs est en général décrit plus haut, comprenant un coté froid, un coté chaud et une source de courant électrique convenable. Le dispositif thermoélectrique 36 est supporté de façon convenable par des moyens non représentés de telle sorte que son côté froid soit placé directe- ment contre le côté chaud du dispositif thermo-électrique 27. Simulta- nément, le dispositif thermo-électrique 38 est supporté de façon con- venable par des moyens non représentés de telle sorte que son côté froid soit placé directement contre le côté chaud du dispositif thermo- électrique 36. De cette façon le dispositif 36 sert à refroidir le cô- té chaud du dispositif 22 et le dispositif 38 sert à refroidir le cô- té chaud du dispositif 36. Des dispositifs thermoélectriques supplémentaires peu- vent être utilisés dans cette disposition d'empilage. Cependant, dans une forme de réalisation préférée, le côté chaud du dernier, ou du plus élevé des dispositifs thermoélectriques est refroidi de la même manière que le cOté chaud 26 du dispositif 22 qui constitue une par- tie de la forme de réalisation 10, c'est-à-dire au moyen d'un manchon 7- de refroidissement. Dans la figure 4, le manchon de refroidisse- ment 30' à travers lequel passe un fluide de refroidissement convena- ble est monté dans ce but. Un avantage du montage 34 est que l'ensem- ble de la disposition en pile de dispositifs thermo-électriques peut être monté en vue de refroidir la section 14 du tube d'une façon plus importante qu'il ne le serait possible avec un seul dispositif thermo- électrique du type actuellement disponible. Lorsque la vapeur que l'on condense peut geler, le montage 34 (ou même le montage 10) peut être conçu pour faire geler effectivement le condensat obtenu. La description qui précède d'une forme de réalisation préférée de l'invention a été présentée dans un but d'illustration et de description. Elle ne prétend pas être exhaustive ou limiter l'in- vention à la forme précise décrite, et à l'évidence de nombreuses mo- difications et variantes sont possibles à la lumière des enseigne- ments ci-dessus. La forme de réalisation a été choisie et décrite en vue d'expliquer au mieux les principes de l'invention et son applica- tion pratique pour permettre de ce fait aux personnes expérimentées dans la profession d'utiliser au mieux l'invention dans diverses for- mes de réalisation et avec des modifications variées adaptées à l'uti- lisation particulière envisagée. Le champ de l'invention est défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné au piégeage de vapeur condensable à l'intérieur d'une section de tube à l'intérieur duquel on fait passer la vapeur. ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend: une section déterminée à l'avance dudit tube; un moyen comprenant un dispositif thermo- électrique comportant un côté chaud et un côté froid. ce dernier étant placé suffisamment près de ladite section de tube déterminée à l'avance et étant suffisamment froid pour faire condenser n'importe quelle vapeur condensable passant dans ladite section de tube; et un moyen de refroidissement du côté chaud dudit dispositif thermoélectrique. 2. Dispositif selon la revendication 1. caractérisé en ce que la section déterminée à l'avance dudit tube a une forme de serpentin pour le trajet d'écoulement de la vapeur. 3. Dispositif selon la revendication 1. caractérisé en ce que ledit moyen comprenant ledit dispositif thermoélectrique comprend également un élément de plaque thermiquement conductrice entre ladite section du tube et le côté froid dudit dispositif de façon à servir d'intermédiaire de transfert thermique entre eux. 4. Dispositif selon la revendication 1. caractérisé en ce que ledit moyen comprenant ledit dispositif thermoélectrique comprend un moyen pour alimenter ledit dispositif en courant électrique. 5. Dispositif selon la revendication 4. caractérise en ce qu'il comprend un moyen de logement destiné à contenir ladite section du tube et ledit élément de plaque thermiquement conductrice, placé directement contre une surface interne d'une paroi faisant partie dudit moyen de logement, et dans lequel ledit dispositif thermoélectrique est disposé à l'extérieur du moyen de logement avec son côté froid situé contre la surface extérieure de ladite paroi droite dans l'alignement dudit élément de plaque. 6. Dispositif selon la revendication 1. caractérisé en ce que le moyen de refroidissement du côté chaud dudit dispositif thermoélectrique comprend une section d'un tube de refroidissement disposé immédiatement contre ledit côté chaud destinée à faire passer un fluide de refroidissement dans ce tube. 9- 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite vapeur condensable comprend des vapeurs qui peuvent ge- ler et dans lequel le côté froid dudit dispositif thermoélectrique est suffisamment froid pour faire geler la vapeur qu'il fait conden- ser à l'intérieur de la section du tube déterminée à l'avance. 8. Dispositif destiné au piégeage de vapeur condensable passant dans un tube, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend: une section déterminée à l'avance dudit tube ayant une configuration telle qu'elle définit à travers elle au moins un trajet d'écoulement en forme de U; un élément de plaque thermiquement conductrice abri- tant des faces opposées, dont l'une desquelles est placée immédiate- ment contre ladite section déterminée à l'avance; un moyen de loge- ment contenant ladite section du tube déterminée à l'avance et l'élé- ment de plaque, ledit moyen de logement comprenant au moins une de ses parois latérales fabriquée en un matériau thermiquement conduc- teur et ayant une surface interne placée immédiatement contre la face dudit élément de plaque opposée à ladite section du tube prédétermi- née; un moyen comprenant un dispositif thermo-électrique comportant un côté chaud et un côté froid, ce dernier étant placé contre la sur- face extérieure de ladite paroi latérale directement dans l'alignement dudit élément de plaque, ledit côté froid dudit dispositif thermo- électrique étant suffisamment froid pour condenser toute vapeur pas- sant dans ladite section du tube, la vapeur condensée étaint ainsi piégée dans ladite section de tube; et un moyen de refroidissement du côté chaud dudit dispositif thermo-électrique. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit moyen de refroidissement du côté chaud dudit dispositif thermo-électrique comprend un second dispositif thermo-électrique comportant un côté chaud et un côté froid, ce dernier étant placé immédiatement contre le côté chaud dudit dispositif en premier lieu mentionné, pour refroidir de ce fait le coté chaud dudit dispositif mentionné en premier lieu. 10. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit moyen de refroidissement comprend une pluralité de dispo- sitifs thermoélectriques supplémentaires, chacun ayant un côté chaud -10et un côté froid, l'une desdits dispositifs supplémentaires ayant son côté froid placé immédiatement contre le côté chaud dudit dispositif thermoélectrique mentionné en premier lieu et les autres dispositifs thermoélectriques supplémentaires étant empilés sur le sommet les uns des autres de telle façon que le côté froid dliun dispositif dé- terminé refroidit le côté chaud du dispositif placé immédiatement sous lui, à l'exception du dispositif thermoélectrique situé le plus à l'extérieur, ledit moyen de refroidissement comprenant un tube de refroidissement et un moyen pour faire passer du fluide de refroidis- sement à travers ce dernier pour le refroidissement du côté chaud de ce dernier dispositif.