Brevet FR2721995A1 — publié le 19960105

La présente invention concerne un échangeur thermique du type fonctionnant en régime d'ébullition nuclée. On sait que pour de nombreuses applications technologiques il est fondamental de faire appel à des échangeurs thermiques permettant de réaliser l'évacuation de puissances calorifiques importances au moyen de surfaces d'échange les plus réduites possibles, de façon à permettre une réduction considérable de la dimension des appareils et de la quantité de fluide réfrigérant utilisée. Tel est le cas, par exemple, du refroidissement de moteurs à explosion ou du refroidissement de systèmes électroniques. On sait également que l'un des moyens qui permet d'améliorer le coefficient d'échange entre une surface chauffée et un liquide réfrigérant consiste à réaliser cet échange sous un régime dit d'ébullition nuclée. Dans un tel régime, le liquide réfrigérant change de phase au contact de la paroi d'échange chauffée et donne naissance à des bulles de vapeur, qui se développent d'une manière aléatoire sur cette paroi. Dans un tel régime, il est impératif que les bulles de vapeur soient extraites de la surface de la paroi d'échange aussitôt leur formation, sous peine de les voir coalescer et donner lieu à la formation d'une couche quasi-continue de vapeur, qui fait chuter de façon importante les coefficients d'échange, ce qui conduit alors à une "crise d'ébullition" telle que la température de la paroi d'échange augmente de façon inconsidérée, conduisant à une dégradation des installations. Dans les dispositifs de la technique antérieure on a proposé d'assurer l'extraction des bulles de vapeur se formant sur une paroi d'échange en favorisant deux paramètres principaux, à savoir l'effet de la poussée d'Archimède exercé sur les bulles de gaz et l'augmentation de la vitesse d'écoulement du liquide réfrigérant. En ce qui concerne l'influence du premier de ces paramètres, à savoir l'effet de la poussée d'Archimède, celui-ci ne peut s'exercer que dans le cas de conduites dont la géométrie permet une remontée des bulles de gaz, ce qui n'est donc pas le cas dans de dispositifs d'échange thermique de disposition quelconque. Par ailleurs, en ce qui concerne l'influence du second paramètre, à savoir la vitesse d'écoulement, on sait qu'unie augmentation de celle-ci n'est envisageable que dans d'étroites limites, sous peine de créer des phénomènes de cavitation. La présente invention a pour but de proposer un échangeur permettant d'extraire de façon efficace les bulles de gaz formées sur une surface d'échange et de les évacuer rapidement, de façon à rester sous régime d'ébullition nuclée. La présente invention a ainsi pour objet un échangeur thermique, du type fonctionnant en régime d'ébullition nuclée, comportant une enceinte de section sensiblement circulaire, dont au moins une partie de la surface interne constitue une surface d'échange thermique avec l'extérieur, traversée par un flux de liquide réfrigérant, caractérisé en ce que le flux de liquide réfrigérant est fourni par des moyens d'alimentation aptes à injecter celui-ci, dans ladite enceinte, tangentiellement par rapport à la surface d'échange, l'enceinte comportant des moyens d'évacuation du liquide réfrigérant injecté disposés sensiblement au centre de sa section droite. Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention la surface d'échange de l'enceinte a la forme d'un cylindre de révolution et les moyens d'évacuation sont constitués d'un orifice circulaire dont le rayon est égal à sensiblement la moitié du rayon de la surface d'échange de l'enceinte. Dans un autre mode de mise en oeuvre de l'invention les moyens d'alimentation comprennent une canalisation longitudinale dont l'extrémité amont est alimentée en liquide réfrigérant et dont l'extrémité aval débouche tangentiellement par rapport à ladite surface d'échange. Dans une variante de ce mode de mise en oeuvre, l'extrémité amont de ladite canalisation est en communication, sur toute sa longueur, avec une cavité longitudinale alimentée, par au moins l'une de ses extrémités, en liquide réfrigérant. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel La figure la est une vue en coupe transversale d'un échangeur suivant l'invention. La figure lb est une vue en perspective de l'échangeur représenté sur la figure la. La figure 2 est une vue en perspective d'un mode de mise en oeuvre de l'échangeur suivant l'invention. La figure 3 est une vue en coupe transversale de l'échangeur représenté sur la figure 2. La figure 4a est une vue en coupe transversale d'une variante de mise en oeuvre de l'échangeur suivant l'invention. La figure 4b est une vue en coupe longitudinale de l'échangeur représenté sur la figure 4a suivant la ligne IV-IV de celle-ci. La figure 5 est une vue en plan d'un exemple de mise en oeuvre d'un échangeur suivant l'invention. La figure 6 est une vue de détail en coupe transversale, à plus grande échelle, d'un élément échangeur représenté sur la figure 5. L'échangeur suivant l'invention représenté sur les figures la et lb est constitué d'un tube métallique cylindrique 1, formant une enceinte 2, qui est obturé à ses extrémités respectives par des cloisons 3, 3', l'une de ces cloisons, à savoir la cloison 3', étant percée en son centre d'un orifice de sortie circulaire 5 dont le rayon r' est environ la moitié du rayon r de l'enceinte 2. Le tube cylindrique 1 est pourvu d'une canalisation 7 d'alimentation en liquide réfrigérant, de section parallélépipédique, qui s 'étend longitudinalement sur toute sa longueur. La canalisation 7 débouche dans l'enceinte 2 tangentiellement par rapport à la surface interne 4 de sa paroi. L'échangeur est en contact, par sa surface externe, avec un fluide dont on souhaite extraire la puissance calorifique et qui est figuré en traits croisés sur la figure la. A cet effet, on admet à l'intérieur de l'enceinte 2, par la canalisation 7, un liquide réfrigérant sous pression qui, en raison de son injection tangentielle, provoque une mise en rotation du fluide contenu dans l'enceinte 2 et qui induit à l'intérieur de celle-ci une "gravité apparente" dirigée radialement vers l'extérieur, et dont l'ordre de grandeur est sensiblement égal au carré de la vitesse tangentielle d'injection divisé par le rayon r de l'enceinte 2. Sous l'effet de cette gravité induite, les bulles de vapeur qui se forment sur la surface interne 4 de la paroi de 1 ' enceinte 2 sont entraînées naturellement vers le centre de celle-ci. Lorsque les bulles de vapeur arrivent au centre de l'enceinte 2, elles se condensent, cédant ainsi la chaleur au liquide réfrigérant, ou sont entraînées par l'écoulement axial au travers de l'orifice de sortie 5. L'injection tangentielle du liquide réfrigérant dans l'enceinte 2 exerce de plus, à l'endroit de la surface interne 4 de sa paroi, un effet mécanique d'entraînement des bulles de vapeur, qui coopère à l'arrachement de celles-ci, avant qu'elles n'aient pu atteindre des dimensions qui faciliteraient leur coalescence et la transformation d'un régime d'ébullition nuclée en un régime dans lequel la paroi d'échange serait entièrement isolée par un film gazeux. Les moyens mis en oeuvre suivant l'invention exercent ainsi une double fonction d'entraînement des bulles gazeuses formées en surface de la paroi d'échange, qui explique la grande efficacité d'un tel échangeur. Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention, qui est représenté sur les figures 2 et 3, l'échangeur est constitué d'un bloc parallélépipédique métallique 10 qui est creusé d'une enceinte cylindrique axiale et longitudinale 12, dont une extrémité est obturée par un bouchon, non représenté sur le dessin, et l'autre extrémité est percée d'un orifice de sortie 15 disposé au centre de la surface de base de l'enceinte cylindrique 12, cet orifice 15 ayant un rayon r' d'environ la moitié du rayon r de l'enceinte 12. Le bloc parallélépipédique 10 est creusé d'une fente longitudinale 17, de faible épaisseur, qui débouche d'une part dans l'une des grandes faces du bloc 10 et d'autre part dans 11 enceinte 12, tangentiellement par rapport à la surface interne 14 de cette enceinte. Le fonctionnement d'un tel échangeur est identique au fonctionnement du dispositif de principe représenté sur les figures la et lb et est particulièrement intéressant pour constituer, par exemple, un dispositif de refroidissement d'un élément mécanique, le bloc 10 pouvant être mis facilement en contact intime, par l'une de ses faces planes, avec une face plane d'un objet à refroidir. Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention représenté sur les figures 4a et 4b l'échangeur se compose de deux éléments modulaires sensiblement symétriques, à savoir un élément échangeur proprement dit 10, et un élément d'alimentation 10'. L'élément échangeur 10 est constitué d'un dispositif identique à celui de l'échangeur décrit précédemment en regard des figures 2 et 3. L'élément d'alimentation 10' est symétrique de l'élément échangeur 10 par rapport à un plan P contenant la face plane dans laquelle débouche la fente longitudinale 17. On ne décrira donc pas l'élément d'alimentation 10' et celui-ci sera représenté sur les figures 4a et 4b avec les mêmes références que celles utilisées pour l'élément échangeur 10 affectées de l'indice Comme représenté sur les figures 4a et 4b, la cavité cylindrique interne 12' de l'élément d'alimentation 10' comporte une extrémité ouverte 14 à partir de laquelle est admis le liquide réfrigérant, et une extrémité opposée obturée à l'aide d'un bouchon 13'. L'extrémité ouverte 14 se trouve du même côté que le bouchon 13 obturant l'enceinte 12 de l'élément échangeur 10. Les deux éléments modulaires 10 et 10' sont accolés l'un à l'autre par leurs faces planes dans lesquelles débouchent les feutres de façon que les fentes 17 et 17' soient rigoureusement alignées l'une avec l'autre, des joints d'étanchéité 18 étant prévus dans l'interface pour assurer l'étanchéité des deux éléments modulaires 10 et 10'. Le liquide réfrigérant est admis par l'extrémité ouverte 14 (flèche F) de la cavité cylindrique 12' de l'élément d'alimentation 10' et, du fait que l'autre extrémité de celle-ci est obturée par le bouchon 13', il emprunte la fente longitudinale 17' de l'élément d'alimentation 10' puis la fente longitudinale 17 de l'élément échangeur 10, pour arriver tangentiellement dans l'enceinte 12 de l'élément échangeur 10. Comme précédemment décrit, l'arrivée tangentielle du flux de liquide réfrigérant provoque et entretient la mise en rotation du liquide contenu dans ladite enceinte 12, laquelle induit une gravité apparente dans le sens radial assurant l'extraction des bulles de vapeur qui se forment sur la surface interne de l'enceinte. Ce mode de mise en oeuvre de l'invention est particulièrement intéressant en ce sens que les deux éléments essentiels constitutifs, à savoir l'élément échangeur 10 et l'élément d'alimentation 10', forment des modules, de construction identiques, ce qui permet de simplifier la fabrication et de diminuer le prix de revient du dispositif. Un tel système modulaire se prête particulièrement bien au refroidissement d'éléments mécaniques tels que, par exemple, des blocs-moteurs, ou encore, à plus petite échelle, des dispositifs électroniques. Dans un tel mode de mise en oeuvre les plaquettes électroniques que l'on souhaite refroidir sont mises en contact intime avec l'élément échangeur 10, à l'aide de moyens mécaniques non représentés sur le dessin. On a ainsi représenté sur les figures 5 et 6 un exemple d'application de l'invention au refroidissement d'un circuit électronique 30. Afin d'augmenter la surface d'échange, la partie supérieure des modules échangeurs 10 est pourvue de chanfreins 11 à 45". Le circuit électronique à refroidir 30 comporte une surface de base usinée, de forme complémentaire de la surface supérieure des modules échangeurs 10, de façon à augmenter, comme mentionné, la surface de contact des modules 10 avec le circuit 30 en même temps que l'on facilite le maintien mécanique des modules échangeurs par rapport à l'élément à refroidir 30. Des moyens d'isolation, constitués par exemple par une lumière longitudinale 19 peuvent être prévus entre l'enceinte 12 et la cavité longitudinale 12'. Bien entendu les dimensions des éléments échangeurs 10 et des éléments d'alimentation 10' pourront varier en fonction des applications spécifiques mises en oeuvre. La demanderesse a constaté que, pour des échangeurs de 10cm de longueur dont l'enceinte 12 possède un rayon r de 2,5mm et pour une largeur de la fente 17 de 0,5mm, avec une vitesse du fluide réfrigérant de 1 m/s et un rayon r' de l'orifice de sortie 5 de 1,25mm, la gravité induite sur les parois internes était de l'ordre de 400 m/s2, soit quarante fois la valeur de l'accélération terrestre. L'invention peut être mise en oeuvre dans des domaines divers. La demanderesse a ainsi établi que, pour une utilisation avec une chaudière, un échangeur possédant une enceinte 12 de lm de longueur, de rayon interne r de 10mm, une fente longitudinale 17 de 2mm de largeur, un orifice de sortie 5 de rayon r' de l'ordre de 5mm et une vitesse d'injection du liquide réfrigérant de 0,5 m/s, permettait d'obtenir une gravité induite à la paroi de 50m/s2, soit cinq fois celle de l'accélération terrestre. L'invention permet ainsi de se libérer des configurations antérieures dans lesquelles la surface d'échange devait impérativement se trouver sous le liquide de façon que celui-ci chasse les bulles par gravité. Bien entendu l'invention est applicable à de nombreux domaines techniques et n'est pas limitée à ceux précédemment décrits. REVENDICATIONS 1. Echangeur thermique du type fonctionnant en régime d'ébullition nuclée, comportant une enceinte (2,12) de section sensiblement circulaire, dont au moins une partie de la surface interne (4,14) constitue une surface d'échange thermique avec l'extérieur, traversée par un flux de liquide réfrigérant, caractérisé en ce que le flux de liquide réfrigérant est fourni par des moyens d'alimentation (v,lv,lv',10') aptes à injecter celui-ci dans ladite enceinte (2,12) tangentiellement par rapport à la surface d'échange (4,14), l'enceinte (2,12) comportant des moyens d'évacuation (5,15) du liquide réfrigérant injecté, disposés sensiblement au centre de sa section droite. 2. Echangeur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la surface d'échange (4,14) de l'enceinte (2,12) a la forme d'un cylindre de révolution. 3. Echangeur suivant la revendication 2 caractérisé en ce que les moyens d'évacuation sont constitués d'un orifice circulaire (5,15) dont le rayon (r') est égal à sensiblement la moitié du rayon (r) de la surface d'échange de l'enceinte (2,12). 4. Echangeur suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens d'alimentation comprennent une canalisation longitudinale (7,17) dont l'extrémité amont est alimentée en liquide réfrigérant et dont l'extrémité aval débouche tangentiellement par rapport à ladite surface d'échange (4,14). 5. Echangeur suivant la revendication 4 caractérisé en ce que l'extrémité amont de ladite canalisation (7,17) est en communication, sur toute sa longueur, avec une cavité longitudinale (12') alimentée, par au moins l'une de ses extrémités, en liquide réfrigérant. 6. Echangeur suivant la revendication 5 caractérisé en ce que la canalisation (7,17) débouche dans la cavité longitudinale (12') tangentiellement par rapport à la surface interne de celleci. 7. Echangeur suivant la revendication 6 caractérisé en ce que l'enceinte (12) et la cavité longitudinale (12') sont disposées symétriquement par rapport à un plan (P). 8. Echangeur suivant l'une des revendications 5 à 7 caractérisé en ce que l'enceinte (12) et la cavité longitudinale (12') font partie de deux modules (10,22) en contact étanche l'un avec l'autre et en communication par des canalisations longitudinales (17,17'). 9. Echangeur suivant la revendication 8 caractérisé en ce que lesdites canalisations (1v, lv') sont dans le prolongement l'une de l'autre. 10. Echangeur suivant l'une des revendications 8 ou 9 caractérisé en ce que des moyens d'isolation thermique (19) sont prévus entre l'enceinte (12) et la cavité longitudinale (12'). 11. Echangeur suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est constitué d'un élément métallique (10) comportant au moins une surface externe plane apte à être mise en contact thermique avec une surface plane d'un objet à refroidir.