Brevet FR2716256A1 — publié le 19950818

ECHANGEUR THERMIQUE A CIRCULATION DE FLUIDE NOTAMMENT POUR TUBE ELECTRONIQUE. La présente invention concerne un échangeur thermique à circulation de fluide notamment pour tube électronique. Certains tubes électroniques possèdent des contraintes thermiques importantes. Elles sont liées à deux types de facteurs : soit les performances de puissance moyenne visées sont à la limite des systèmes de refroidissement connus, soit les encombrements autorisés ne permettent pas de développer des échangeurs thermiques adaptés. Dans les tubes hyperfréquences à grille, c'est l'anode qui nécessite un refroidissement efficace, dans les tubes à faisceau linéaire c'est notamment le collecteur qui doit être refroidi mais aussi les tubes de glissement et les becs de cavité dans le cas des klystrons ou des tubes à ondes progressives à cavités couplées. Les tubes à champs croisés doivent aussi être refroidis au niveau de leur anode. En ce qui conceme les tubes à ondes rapides tels que les gyrotrons, c'est la cavité et/ou le collecteur qui nécessite un bon refroidissement. Les échangeurs thermiques les plus performants utilisés de nos jours fonctionnent avec un fluide. Dans certains échangeurs thermiques, la pièce à refroidir est baignée par le fluide qui est souvent de l'eau. Ce type d'échangeur est limité en densité de flux thermique car un film de vapeur finit par stagner à la surface de la pièce à refroidir. C'est le phénflène de caléfaction. Cette vapeur est un mauvais conducteur thermique. En conséquence, la pièce s'échauffe énormément et l'échangeur thermique ne joue plus son rôle. Cette élévation de température peut conduire à la destruction de la pièce à refroidir. Un remède connu consiste à réaliser un courant forcé de fluide à grand débit et haute pression autour de la pièce. mais cela nécessite une installation encombrante et coûteuse avec un compresseur dont la consommation en énergie est loin d'être négligeable. Ces échangeurs thermiques sont toutefois performants. Une autre solution consiste à utiliser des échangeurs thermiques de type vapotron ou dérivés. Le terme vapotron est une marque déposée appartenant à la société Thomson SA lls utilisent la vaporisation du liquide en contact avec une paroi chaude, cette paroi est munie de reliefs qui favorisent une expulsion pulsée de la vapeur, ce qui assure alternativement l'accès du liquide contre la paroi à refroidir. Une circulation de liquide compatible avec la distribution urbaine est suffisante. Ces échangeurs thermiques n'ont permis d'atteindre que des densités de flux thermique continues de I kWIcm2 et exceptionnellement de 2kW/cm2 . Ces performances sont moins bonnes que celles des échangeurs à circulation forcée mais ils ne nécessitent pas rinstallation délivrant le courant forcé de fluide. Toutefois ces échangeurs thermiques sont relativement lourds et cooteux à cause de la paroi munie des reliefs qui est massive. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Elle propose un échangeur thermique capable d'extraire des densités de flux thermique bien supérieures à celles des échangeurs de type vapotron et qui ne nécessite pas une installation à circulation forcée à grand débit et grande pression. De plus cet échangew thermique grâce à ses bonnes performances permet de réduire la surface de la pièce à refroidir. Cet échangeur thermique à circulation de fluide comporte un corps poreux en contact avec au moins une partie de la pièce à refroidir, ce corps poreux en matériau thermiquement conducteur a des pores qui engendrent des changements de direction du fluide pendant sa traversée du corps poreux et qui sont suffisamment grands pour que la perte de charge du fluide durant sa traversée du corps poreux soit aussi faible que possible. Le corps poreux peut être réalisé dans un matériau alvéolaire à alvéoles communicantes ou être formé de fil emmêlé. Dans une autre variante le corps poreux peut être réalisé par une succession de cloisons percées d'ouvertures. II est également possible que la pièce à refroidir et le corps poreux forment un tout. De manière avantageuse, le corps poreux peut être formé de plusieurs éléments perces de part en part d'au moins un trou, ces éléments étant en contact les uns avec les autres. De préférence, les éléments percés sont tubulaires avec un diamètre sensiblement égal à leur hauteur. De préférence aussi, l'épaisseur des éléments percés est aussi fine que possible de manière à minimiser la perte de charge du fluide sans porter préjudice au maintien mécanique de l'ensemble. Un échangeur thermique selon l'invention peut fonctionner avec de l'eau dont la pression et le débit sont compatibles avec ceux du réseau de distribution urbain. Ces configurations de corps poreux sont particulièrement simples, bon marché et légères. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description suivante illustrée par les figures annexées qui représentent: - la figure 1 un échangeur thermique de type vapotron; -la figure 2, en coupe partielle, un échangeur thermique selon l'invention; - la figure 3a, en coupe longitudinale, une première variante d'un échangeur thermique selon l'invention; - la figure 3b, en coupe longitudinale, une seconde variante d'un échangeur thermique selon l'invention; - la figure 3c, en coupe longitudinale, une troisième variante d'un échangeur thermique selon l'invention; - la figure 4 une autre variante d'un échangeur thermique selon l'invention; - la figure 5 un procédé de réalisation d'un corps poreux d'un échangeur de chalew selon l'invention; - la figure 6a en vue éclatée encore une variante d'un corps poreux d'un échangeur thermique selon l'invention; - la figwe 6b un détail agrandi de ce corps poreux. La figure 1 représente une coupe d'un échangeur thermique de type vapotron. L'échangeur thermique est formé d'une paroi 1 à refroidir qui présente une succession de fentes 2 étroites baignées par un courant 3 de liquide 6. La partie 4 la plus chaude de la paroi se trouve au fond des fentes 2. Les trois fentes 2 représentées illustrent les trois phases de fonctionnement de l'échangeur thermique. Pendant la première phase, le liquide pénètre à l'intérieur d'une fente 2, il s'échauffe et se vaporise. II se forme des bulles 5 de vapeur. Pendant la deuxième phase, les bulles 5 de vapeur s'échappent de la fente 2 à grande vitesse et cette vapeur est immédiatement condensée par le courant 3 de liquide. Pendant la troisième phase, la fente 2 est réalimentée en liquide 6 par aspiration entre deux jets de vapeur. La figure 2 représente un exemple de réalisation d'un échangeur thermique selon l'invention. Cet échangeur thermique comporte un corps poreux 21 qui est en contact avec au moins une partie de la pièce à refroidir 20. Ce corps poreux 21 est parcouru par un cowant de fluide. Dans l'exemple représenté, on désire refroidir un tube cylindrique qui peut être par exemple un tube de glissement de klystron, une cavité de gyrotron ou une anode de tétrode. Le corps poreux 21 a des pores disposés de manière à occasionner des changements de direction du fluide pendant sa traversée du corps poreux. II est réalisé dans un matériau conducteur thermique. La température du fluide injecté est inférieure à la température de la pièce 20 à refroidir. La porosité du corps poreux est suffisamment grande pour laisser passer le fluide avec une perte de charge aussi faible que possible. La pression du fluide avant de pénétrer dans le corps poreux est légèrement supérieure à celle du fluide à la sortie du corps poreux 21. Cet échangeur thermique peut être utilisé avec la pression et le débit de distribution d'eau urbaine. II ne nécessite pas alors d'installation avec compresseur. Des pressions etlou des débits plus importants sont aussi possibles. Le corps poreux a bien entendu une résistance mécanique compatible avec la pression et le débit du fluide. Sur la figure 2, le corps poreux 21 lui aussi cylindrique est monté coaxialement autour de la pièce 20 à refroidir. Le corps poreux 21 est contenu dans un logement 22 délimité par la pièce 20 à refroidir, par une paroi 29 extérieure ou chemise et par deux parois d'extrémité 24,25 sensiblement transversales au corps poreux. Dans cet exemple, le corps poreux 21 est maintenu dans le logement 22 à raide d'une bague 23 car un espace 26 est aménagé entre le corps poreux 21 et la chemise 29. Le logement 22 comporte une ouverture 27 pour irZduire le fluide et une autre 28 pour extraire le fluide. Ces ouvertures sont situées dans cet exemple au niveau de la chemise 29. Le fluide de refroidissement traverse le corps poreux et remplit tout le logement 22. D'autres dispositions pour les ouvertures sont tout à fait envisageables. La figure 3a représente en coupe longitudinale une variante d'un échangeur thermique selon l'invention. Dans cet exemple, l'échangeur thermique est destiné à refroidir un collecteur 30 de tube électronique hyperfréquence. Ce collecteur sert à récupérer les électrons produits dans le tube lorsqu'ils sont en fin de course. Les trajectoires des électrons sont représentées à l'intérieur du collecteur. La paroi 31 du collecteur est tapissée extérieurement du corps poreux 32. Une paroi externe 33 recouvre le corps poreux 32. Dans cette variante la paroi externe 33 est en contact avec le corps poreux 32. Le corps poreux occupe la plus grande partie de I'espace entre la paroi du collecteur 31 et la paroi externe 33. Une première ouverture 34 pour introduire le fluide est prévue dans la paroi exteme 33, par exemple, au niveau de rentre des électrons dans le collecteur, et une seconde 35 pour extraire le fluide, par exemple, au sommet du collecteur. D'autres dispositions sont tout à fait possibles. Le corps poreux engendre grâce à ragent de ses multiples pores des turbulences dans le courant de fluide. Ce fluide vient systématiquement en contact avec la pièce à refroidir avec des trajectoires non laminaires, chaotiques. II y a en permanence un brassage du fluide, ce qui évite l'apparition de points chauds localisés dans le corps poreux et à la surface de la pièce à refroidir. Les problèmes liés à la formation de bulles de vapeur immobiles à la surface de la pièce à refroidir sont id minimisés car les agrégats de bulles sont immédiatement détruits par la structure du corps poreux. Les pores peuvent être disposés de manière ordonnée ou bien pele- mêle. Le corps poreux peut être réalisé avec un matériau alvéolaire à alvéoles 32' communicantes. C'est ce qu'illustre la figure 3a. Ce matériau alvéolaire peut être métallique, en cuivre par exemple. II est aussi possible d'utiliser du fil emmêlé pour réaliser le corps poreux. L'emmêlement peut être en désordre et dans ce cas les pores sont pele-mele mais ils peuvent être relativement Ordonnés si le fil est, par exemple, tricoté ou tissé. Le fil pourra de manière avantageuse être, par exemple, en cuivre. La figure 3b montre en coupe longitudinale un échangeur thermique selon l'invention destiné à refroidir un bec 36 de cavité de klystron. Le faisceau d'électrons 37 produit dans le klystron est dirigé selon I'axe x x' et traverse des cavités (non representées). Certains becs 36 de cavité interceptent une partie du faisceau d'électrons 37 et doivent donc être refroidis. Le corps poreux 38 est formé de fil emmêlé. II est disposé dans un logement 39 limité par au moins une partie du bec 36 de cavité et par une paroi exteme 33 munie d'ouvertures 34,35 pour permettre l'injection et l'extraction du fluide. Le bec de cavité 36 représenté dans cet exemple est sensiblement conique. Dans les modes de réalisation décrits jusqu'à maintenant le corps poreux était rapporté en contact avec la pièce à refroidir. Il est possible que la pièce à refroidir et le corps poreux forment un tout C'est ce qu'illustre la figure 3c. Elle représente en coupe longitudinale un échangeur thermique pour collecteur comparable à celui de la figure 3a. Maintenant la paroi 31 du collecteur 30 est formée intérieurement dune partie pleine 31a et extérieurement d'une partie poreuse 31b. La partie pleine 31a est étanche, la partie poreuse 31 b est traversée par le fluide. On retrouve. comme sur la figure 3a la paroi externe 33 en contact avec la partie poreuse 31b et les ouvertures 34,35 pour assurer la criculation du fluide. La figure 6a représente une vue éclatée d'une autre coririguation d'un corps poreux d'un échangeur thermique selon l'invention. II peut être utilise dans un échangeur thermique tel que celui de la figure 2. Ce corps poreux comporte une succession de cloisons 60 percées d'ouvertures 63. Les cloisons 60 sont séparées par des entretoises 62. Les cloisons sont en forme de rondelles pour ce genre d'échangeur thermique. Les ouvertures 63 sont réparties sur toute la surface des doisons 60. Elles sont représentées en agrandissement sur la figure 6b. Ces ouvertures 61, de préférence sensiblement identiques, ont une surface plus importante près de la pièce à refroidir (non représentée mais qui serait située au centre des rondelles) que près du bord extérieur. Les ouvertures sont inclinées par rapport au rayon de la rondelle et cette inclinaison est réalisée avec des directions différentes pour deux cloisons 60 successives. Le fluide est donc dévié plusieurs fois en traversant le corps poreux. Le corps poreux peut aussi être réalisé de manière avantageuse avec une pluralité d'éléments percés d'au moins un trou, agencés en contact avec les uns avec les autres. Ces éléments peuvent être tous identiques. On peut par exemple utiliser des petits tubes en matériau conducteur thermique, du cuivre par exemple. Ces éléments sont de préférence assemblés les uns aux autres. Ils forment alors un agglomérat On peut par exemple les assembler par brasage. La figure 4 représente une coupe éclatée d'un échangeur thermique selon l'invention. Au point de vue structure = il il est comparable à celui de la figure 2. La référence 40 désigne la pièce à refroidir qui peut être encore ici un tube de glissement de klystron, une cavité de gyrotron ou une anode de tétrode. Cette pièce est cylindrique. Le corps poreux 42 en forme de cylindre creux est forme d'une multitude de petits tubes 48 assemblés les uns aux autres. On retrouve comme sur la figure 2 la chemise 41, la bague de maintien 43 destinée à venir se loger entre le corps poreux 42 et la chemise 41, I'espace 46 aménagé entre lecorps poreux 42 et la chemise 41 et les parois transversales 44,45 qui ferment le logement 47 délimité par la chemise 41 et la pièce à refroidir 40. Pour une meilleure clarté les arrivées et sortie de fluide ne sont pas représentées. De manière avantageuse, les tubes 48 du corps poreux 42 ont une hauteur sensiblement égale à leur diamètre. Ces dimensions permettent d'éviter qu'ils se placent dans la cavité de manière ordonnée en se regroupant selon une de leur génératrice. II se placent pêle-mêle lorsqu'on les verse dans une cavité. On pourrait aussi les disposer de manière ordonnée dans la cavité, tout en prévoyant les changements de direction du fluide, mais cette méthode est moins simple. Le volume de matière correspondant à tous ces éléments est faible par rapport au volume qu'ils occuperait, de manière à permettre le passage du fluide avec une perte de charge aussi faible que possible. Cette perte de charge sera de préférence inférieure à 3 bars. L'épaisseur de la matière des éléments est choisie aussi fine que possible. Par exemple, dans le cas d'éléments tubulaires on peut leur donner un diamètre et une hauteur de l'ordre du millimètre et une épaisseur de l'ordre du dixième de millimètre. L'épaisseur représente la différence entre le rayon intérieur et le rayon extérieur. Par contre, on s'arrangera pour que la somme des surfaces de tous ces éléments en contact avec le fluide soit supérieure à la surface de la pièce à refroidir en contact avec le corps poreux. Un tel corps poreux est particulièrement simple à réaliser. De plus il s'adapte à des formes quelconques. Un tel échangeur thermique permet de refroidir des pièces de forme complexe, il suffit de batir un logement qui utilise comme paroi au moins une partie de la pièce à refroidir et de le remplir au moins partiellement de petits éléments percés d'au moins un trou, en les versant par exemple. Des essais ont permis de tester de tels échangs thermiques sous une densité de flux thermique continue de 6kW/cm2. Ces performances sont bien meilleures que celles des échangeurs thermiques de type vapotron pour une pression légèrement supérieure (de l'ordre de une à deux fois plus) et un débit inférieur. Elles sont comparables à celles des échangeurs thermiques à circulation forcée sans nécessiter l'installation délivrant le courant de fluide forcé. Le débit de fluide utilisé est typiquement de l'ordre du quart de celui des Xcharses à circulation forcée et la pression de l'ordre de la moitié pour une tenç*raS de la pièce chaude elle aussi moitié. Ces performances permettent de réduire l'encombrement de l'échangeur thermique et de la surface à refroidir. La figure 5 illustre un procédé de réalisation d'un corps poreux d'un échangeur thermique selon l'invention si celui est réalisé hors du système à refroidir. Ce procédé consiste à mettre dans un moule 50 en matériau réfractaire (de la céramique par exemple) des éléments 51 percés d'au moins un trou. Le volume intérieur du moule a la forme et les dimensions désirées pour le corps poreux. Les éléments percés sont versés dans le moule 50 à l'aide d'un entonnoir 52 par exemple. Le moule 50 est ensuite chauffé de manière à ce que les éléments 51 s'agglomèrent par frittage. Après refroidissement les éléments percés et agglomérés forment le corps poreux. Ces éléments peuvent être réalisés en cuivre par exemple. II est également possible de recouvrir ce premier matériau d'un second dont la température de fusion est inférieure à celle du premier de manière à ce que l'assemblage se fasse à une température moindre, par brasage typiquement à 1030' C. On peut utiliser comme deuxième matériau de l'argent ou de l'or si le premier est du cuivre. Au lieu d'utiliser un moule, on peut directement verser les éléments percés dans une cavité délimitée par au moins la pièce à refroidir. Les exemples décrits utilisent différents types de corps poreux et différentes pièces à refroidir. Il est bien sur possible d'associer différemment les corps poreux et les pièces à refroidir sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIIONS I - Echangeur thermique à circulation de fluide destiné à refroidir une pièce (20) caractérisé en ce qu'il comporte un corps poreux (21) en matériau thermiquement conducteur en contact avec au moins une partie de la pi (20) à refroidir, ce corps poreux (21) étant traversé par le fluide et ayant des pores qui engendrent des changements de direction du fluide pendant sa traversée du corps poreux (21) et qui sont suffisamment grands pour que la perte de charge du fluide pendant sa traversée du corps poreux (21) soit aussi faible que possible. 2 - Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface du corps poreux (42) en contact avec le fluide est supérieure à la surface de la pièce (40) à refroidir en contact avec le corps poreux (42). 3 - Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le corps (21) poreux est placé dans un logenNrfl (22) rempli de fluide dont une paroi est formée au moins partiellement par la pièce (20) à refroidir. 4 - Echangeur thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un espace (26) est aménagé entre le corps (21) poreux et au moins une paroi (29) du logement (22) autre que celle formée par la pièce (20) à refroidir. 5 - Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le corps poreux (32) est réalisé dans un matériau alvéolaire à alvéoles (32') communicantes. 6 - Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 5, caratérisé en ce que le corps poreux (31b) et la pièce à refroidir (3ira) forment un tout. 7 - Echangeur thermique selon l'une des revendications I à 4, caractérisé en ce que le corps poreux (38) est formé de fil emmelé. 8 - Echangeur thermique selon l'une des revendications I à 4, caractérisé en ce que le corps poreux est réalisé par une succession de cloisons (60) perces d'ouvertures (61). 9 - Echangeur thermique selon la revendication 8, caractérisé en ce que les cloisons (60) sont séparées par des entretoises (62). 10 - Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le corps poreux (42) est formé de plusieurs éléments (48) percés de part en part dau moins un trou, ces éléments (48) étant en contact les uns avec les autres. Il - Echangeur thermique selon la revendication 10, caraatérisé en ce que les éléments (48) percés sont fixés les uns aux autres. 12 - Echangeur thermique selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que les éléments (48) percés sont tubulaires et ont une hauteur sensiblement égale à leur diamètre. 13- Echangeur thermique selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l'épaisseur des éléments (48) percés est aussi faible que possible. 14 - Echangeur thermique selon l'une des revendications I à 13, caractérisé en ce que le fluide est de l'eau ayant une pression supérieure ou égale à celle du réseau de distribution urbain. 15 - Echangeur thermique selon rune des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que la pièce à refroidir est une partie dun tube électronique telle qu'une anode, un tube de glissement, un bec de cavité, un collecteur, une cavité. 16 - Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le corps poreux est réalisé à base d'un métal tel que du cuivre. 17 - Procédé de fabrication d'un corps poreux d'un échangeur thermique selon l'une des revendications I à 16, caractérisé en ce qu'il consiste à mettre dans une cavité des éléments (51) pers de part en part d'au moins un trou, ces éléments étant réalisés en matériau thermiquement conducteur, puis à chauffer la cavité pour que les éléments (51) s'agglomèrent. 18 - Procédé de fabrication d'un corps poreux selon la revendication 17, caractérisé en ce que la cavité est formée par l'intérieur d'un moule en matériau réfractaire (50). 19 - Procédé de fabrication d'un corps poreux selon la revendication 17, caractérisé en ce que la cavité est délimitée par au moins partiellement la pièce à refroidir, le corps poreux étant réalisé directement en place.