Brevet FR2723187A1 — publié le 19960202

La présente invention est relative à un système de transfert d'énergie entre une source chaude et une source froide, utilisant une boucle diphasique à pompage capillaire. Les boucles diphasiques à pompage capillaire mettent à profit le phénomène physique suivant : si on envoie, à une extrémité d'un tube capillaire chauffé, un liquide ayant des propriétés convenables, ce liquide pénètre dans le tube capillaire jusqu'à un point où il se vaporise totalement. La surface de séparation des phases liquide et vapeur a une forme courbe, et est appelée "ménisque". On observe, au niveau du ménisque, dans la phase vapeur, une augmentation de pression appréciable, qui peut être utilisée pour mettre le fluide en circulation dans un circuit fermé comprenant, outre des capillaires évaporateurs, un condenseur approprié. Les phénomènes sont les mêmes si, au lieu d'un tube capillaire, on utilise une "masse capillaire", c'est-à-dire un matériau présentant une porisité ouverte avec des passages de dimensions sensiblement homogènes, typiquement 2 à 20 micromètres. Cette augmentation de pression résulte de phénomènes de tension superficielle. Elle dépend de la température et de la nature du fluide et des parois solides avec lesquelles il est en contact, et elle est inversement proportionnelle au rayon du ménisque, ou au rayon équivalent dans le cas où le ménisque n'est pas sphérique. Le rayon du ménisque ou le rayon équivalent sont eux-mêmes très étroitement liés au rayon du capillaire, et plus généralement au rayon de courbure de la surface solide au contact de laquelle se fait le changement d'état. L'augmentation de pression est donc négligeable si l'interface liquide-vapeur est au contact de surfaces solides ayant des rayons de courbure de quelques centaines de micromètres. Dans le présent texte, on parle d'évaporateurs capillaires et de condenseurs. Ces termes peuvent chaque fois s'appliquer à des groupes d'évaporateurs capillaires ou de condenseurs disposés en parallèle dans le circuit fermé. Pour fixer les idées, on a constitué sur ce principe des systèmes utilisant de l'ammoniac entre -10 et +60"C, avec des rayons équivalents de ménisque de l'ordre de 10 micromètres, la pression générée au niveau des ménisques était de l'ordre de 5 kPa, ce qui suffit à compenser les pertes de charge du circuit. Les condenseurs pouvaient être constitués soit par des radiateurs qui rayonnent l'énergie vers l'espace, soit par des échangeurs couplés avec d'autres systèmes analogues, soit par des dispositifs à changement de phase tels que des bouilleurs ou des évaporateurs. De tels systèmes sont utilisés aujourd'hui dans le domaine spatial. Ces systèmes présentent l'inconvénient de ne pouvoir fonctionner en circuit fermé que dans un sens, le ou les capillaires se trouvant toujours dans la source chaude. A bord des engins spatiaux, il arrive que des transferts thermiques doivent être effectués tantôt dans un sens et tantôt dans le sens opposé, par exemple dans le cas de variations journalières ou saisonnières de l'ensoleillement. Il est nécessaire dans ce cas d'implanter deux boucles indépendantes fonctionnant alternativement et en sens inverse, ce qui complique l'appareillage et augmente son encombrement. La présente invention a pour but de fournir un appareillage qui permette des transferts d'énergie dans deux sens opposés, de façon simple et sous un volume limité. Pour obtenir ce résultat, l'invention fournit un système de transfert d'énergie entre une source chaude et une source froide, le système comprenant un évaporateur capillaire situé dans la source chaude et dans lequel un fluide est introduit à l'état liquide et passe intégralement à l'état de vapeur, un conduit de vapeur, un condenseur situé dans la source froide où le fluide repasse à l'état liquide, et un conduit de liquide qui ramène le fluide à l'évaporateur capillaire, le fluide circulant en circuit fermé sous l'effet de la pression générée au niveau de ménisque constituant les interfaces liquide/vapeur dans les capillaires de l'évaporateur, ce système ayant pour particularité que le circuit fermé de fluide comprend deux ensembles formés chacun d'un évaporateur capillaire relié au conduit de liquide et d'un condenseur intercalé entre l'évaporateur capillaire et le conduit de vapeur, l'un des ensembles se trouvant dans la source chaude et l'autre dans la source froide, et que la quantité de fluide est calculée de telle façon que l'évaporation se fait intégralement dans les passages capillaires de l'évaporation capillaire situé dans la source chaude et que la totalité de la condensation se fait dans le condenseur situé dans la source froide. On comprendra que, dans la source chaude, l'évaporation dans l'évaporateur capillaire crée l'augmentation de pression nécessaire pour la mise de fluide en mouvement. Dans la source froide, si la condensation se faisait dans l'évaporateur capillaire, il apparaîtrait dans celui-ci une différence de pression en sens inverse, et qui pourrait être du même ordre de grandeur, l'écart dépendant principalement des différences de température entre les sources chaude et froide. En fait, comme la condensation a lieu dans le condenseur de la source froide, l'évaporateur capillaire qui le suit dans le sens de circulation du fluide se comporte comme une simple résistance passive, car ses passages sont remplis complètement de liquide de condensation. La condensation sur les surfaces à grand rayon de courbure du condenseur ne génère que des pressions inverses pratiquement négligeables. Le remplissage du circuit doit être fait avec précision, pour que les changements d'état du fluide se fassent aux endroits prévus. Une certaine latitude est fournie par la longueur des passages dans l'évaporateur capillaire et les dimensions du condenseur. Cette latitude peut être dépassée dans le cas, par exemple, d'un abaissement de la température du liquide, entraînant une contraction de celui-ci. On a constaté, de façon surprenante, que même dans ce cas, qui correspond à un "sous-remplissage" le système continue à fonctionner de façon correcte alors qu'une bulle de vapeur s'est formée du côté de l'évaporateur capillaire qui est normalement en contact avec le liquide, et cela tant que cette bulle est complètement séparée du conduit vapeur par du liquide retenu par capillarité dans l'évaporateur capillaire. On peut donc prévoir que la quantité de fluide est calculée pour que, dans toutes les conditions de fonctionnement, au moins une interface liquide-vapeur se trouve dans l'évaporateur capillaire, une bulle de vapeur sans communication avec le conduit de vapeur pouvant néanmoins se trouver éventuellement du côté liquide de l'évaporateur capillaire. Suivant une réalisation intéressante, dans le cas où l'évaporateur capillaire est constitué d'une masse à porosité contrôlée dans laquelle le liquide peut se vaporiser avec formation de ménisques à faible rayon ou rayon équivalent, cette masse étant placée dans une enceinte entre deux chambres reliées l'une au conduit de liquide et l'autre au conduit de vapeur, le condenseur de la source froide est constitué au moins en partie par celle desdites chambres qui est reliée au conduit de vapeur. Au cas où toute la condensation peut se faire dans cette chambre, c'est-à-dire à l'intérieur de l'enceinte du dispositif d'évaporation capillaire au sens courant du terme, on aboutit à un ensemble remarquablement simple et compact. Selon un mode de réalisation plus perfectionné, il existe plusieurs sources chaudes et/ou plusieurs sources froides, et il y a au moins un desdits ensembles formés d'un évaporateur capillaire et d'un condenseur dans chaque source chaude et chaque source froide. On a constaté de façon imprévue que le système s auto- stabilise même avec des différences appréciables de température entre les sources chaudes ou entre les sources froides. L'invention va être exposée de façon plus détaillée à l'aide d'exemples pratiques illustrés par les dessins, parmi lesquels Figure l est un schéma de principe d'un système de l'art antérieur. Figure 2 est un schéma de principe d'un système selon l'invention. Figures 3 et 4 sont des coupes respectivement longitudinale et transversale d'un dispositif d'évaporation capillaire de la technique usuelle. Figure 5 est un schéma en perspective de la disposition de plusieurs dispositifs d'évaporation capillaire. Figure 6 est un schéma montrant un ménisque. La figure 1 montre un schéma de principe d'un système destiné à transférer de l'énergie thermique d'une zone A, dite "source chaude", vers une zone B, à température inférieure, dite "source froide". Ce système comprend un circuit fermé dans lequel circule un fluide qui peut être, selon les températures d'utilisation, de l'eau, de l'ammoniac, un "Fréon" etc.. Ce circuit comprend des dispositifs d'évaporation capillaire 1 branchés en parallèle, des condenseurs 2, également branchés en parallèle (ou séries parallèles), un conduit de circulation de vapeur 3 et un conduit de circulation de liquide 4. Le sens de circulation du fluide est indiqué par les flèches 5. Les figures 3 et 4 montrent la structure d'un dispositif d'évaporation capillaire d'usage courant. Ce dispositif comprend un tube métallique 6 ayant une entrée 7 à une extrémité et une sortie 8 à l'extrémité opposée. A l'intérieur du tube, un cylindre de matière poreuse 9 est maintenu par des entretoises 10 coaxialement au tube 6. Cette matière poreuse est constituée de fibres parallèles disposées de façon à constituer entre elles des passages de dimension maximale contrôlée, par exemple de l'ordre de 20 micromètres, et formant ce qu'on appelle une "mèche capillaire". La matière poreuse peut être constituée de tout matériau ayant des pores de dimensions convenables et sensiblement homogènes, par exemple matériaux frittés métalliques ou plastiques, ou céramiques. La figure 5 montre une source chaude constituée d'une plaque 11 sur une face de laquelle sont montés des équipements 12 qui dégagent de la chaleur et/ou qu'on désire refroidir. Sur la face opposée de la plaque sont fixés des dispositifs d'évaporation capillaire 1 dont l'entrée 7 est reliée à un conduit de liquide 5 et communique avec le vide intérieur 13 (voir figure 4) de la mèche capillaire 9, et dont la sortie 8 est reliée à un conduit de vapeur 3 et communique avec l'espace annulaire 14 situé entre le tube 6 et la mèche capillaire 9. En fonctionnement normal, le vide intérieur 13 est rempli de liquide, et l'espace annulaire 14 est rempli de vapeur. L'interface liquide-vapeur est constitué d'un ensemble de ménisques 15 (voir figure 6), de rayons équivalents sensiblement égaux, qui se trouvent tous dans l'épaisseur de la masse poreuse 9. Dans la technique usuelle, les dispositifs d'évaporation capillaires qu'on vient de décrire sont connus sous le nom d' "évaporateurs capillaires". I1 ressort de ce qui précède que, au sens du présent texte, seule la masse poreuse 9 constitue donc l'évaporateur capillaire proprement dit, le vide 13 et l'espace 14 étant, fonctionnellement, des prolongements du conduit de liquide ou du conduit de vapeur. La mise en circulation du fluide est due à l'augmentation de la pression de la vapeur, dans les évaporateurs capillaires, qui est générée au niveau des ménisques où a lieu la vaporisation totale du liquide. Pendant la traversée de la mèche capillaire, le liquide se réchauffe très rapidement (les débits sont très faibles) et se vaporise totalement au niveau des ménisques à température quasi-constante. L'augmentation de la pression est proportionnelle à la tension superficielle du fluide et inversement proportionnelle au rayon équivalent des ménisques (on travaille avec des rayons inférieurs à 10'im). Le débit de fluide dans chaque évaporateur est ainsi constamment auto-ajusté afin d'avoir uniquement de la vapeur pure à la sortie de chaque évaporateur. Pour avoir un fonctionnement correct des évaporateurs capillaires, il est impératif de n'avoir que du liquide à l'entrée de chaque dispositif d'évaporation capillaire. Ces dispositifs ne peuvent donc être disposés qu'en parallèle. De plus, un isolateur 16 (figure 1) doit être positionné à l'entrée de chaque évaporateur. Le rôle de cet isolateur est d'empêcher un retour de vapeur (dans le tube principal de liquide de la boucle) qui pourrait se produire dans un évaporateur lors d'un désamorçage accidentel (lors d'une trop forte injection de puissance par exemple). La vapeur pure est transportée vers les condenseurs 2 où s'effectue l'extraction d'énergie acquise par le fluide, soit par des radiateurs (qui rayonnent l'énergie vers l'espace), soit par des échangeurs couplés à d'autres boucles, soit par des systèmes à changement de phase tels que des bouilleurs ou évaporateurs. En revenant au dispositif de la figure 1, un sousrefroidisseur 17 est positionné sur le tube de sortie liquide. Le rôle de ce sous-refroidisseur est de condenser la vapeur qui, accidentellement, pour des situations non nominales, n'aurait pas été totalement condensée à la sortie d'un des derniers condenseurs. La température de fonctionnement de la boucle est contrôlée par un réservoir pressuriseur diphasique 18. Ce réservoir est contrôlé thermiquement (système de chauffage et de refroidissement) de manière à assurer un contrôle de sa température de vaporisation qui est aussi la température de vaporisation au niveau des "plaques froides" 11 et échangeurs (aux pertes de pression près, qui sont minimes). Avec ce type de boucle, on peut contrôler avec une bonne précision (meilleure que le degré dans la majorité des cas) une température de consigne, et ce quelles que soient les variations de puissance subies par la boucle au niveau des évaporateurs ou condenseurs. La puissance maximale qu'il est possible de transporter est conditionnée par la remontée maximale de pression que peuvent assurer les évaporateurs capillaires et par la somme des pertes de charge du circuit pour la puissance maximale considérée. Avec de l'ammoniac et des rayons équivalents de ménisques de lOum, on peut atteindre des remontées de pression de l'ordre de 5000Pa. La figure 2 montre le schéma d'un système de transfert d'énergie conforme à l'invention. Dans chacune des sources A et B, le circuit comprend des ensembles constitués chacun d'un évaporateur capillaire 1A, 1B en série avec un condenseur 2A, 2B, un conduit de vapeur 3 étant relié à chacun des condenseurs 2A, 2B, et un conduit de liquide 4 étant relié à chacun des évaporateurs capillaires 1A, 1B. Un moyen de réchauffage du conduit de vapeur de faible puissance 20 est prévu. I1 n'y a pas de réservoir pressuriseur 18 ni d'isolateurs 16. Lorsque la température de la source A est supérieure à celle de la source B, le sens de circulation du fluide est celui qui est indiqué par les flèches 21. Les évaporateurs 1A sont actifs. Le liquide à l'entrée des évaporateurs traverse les mèches capillaires 9 et s'y vaporise. La vapeur sort de chaque dispositif évaporateur (avec une augmentation de pression capillaire) et traverse les condenseurs "chauds" 2A qui sont donc inactifs. La vapeur est collectée à la sortie de ces condenseurs et est transportée dans un tube 3 jusqu'à l'entrée des condenseurs "froids" 2B. La vapeur se condense partiellement ou totalement dans ces condenseurs. Un mélange diphasique ou monophasique liquide entre donc dans les dispositifs évaporateurs 1B à "contre-sens" par rapport à un fonctionnement normal pour un évaporateur. La vapeur restante se condense totalement dans l'espace annulaire 14 des dispositifs évaporateurs 1B. Du liquide seul sort de ces évaporateurs. Le liquide est collecté et est transporté dans le tube 4 jusqu'à l'entrée des évaporateurs 1A, ce qui clot la boucle. Dans le tube liquide, on peut autoriser temporairement une vaporisation partielle du liquide. Lorsque la source B devient plus chaude que la source A, le sens de circulation du fluide est celui des flèches 22. Ce sont les évaporateurs 1B qui jouent leur rôle d'évaporateurs, les condenseurs 2B sont inactifs, les condenseurs 2A sont actifs et les dispositifs évaporateurs 1A jouent un rôle de condenseurs supplémentaires au niveau de leur espace annulaire 14. Ces espaces annulaires, qui sont inclus dans les dispositifs d'évaporation capillaire, font alors, du point de vue fonctionnel, partie des condenseurs 2A. Lorsque l'on souhaite réaliser un transfert thermique entre les différentes sources et que le transfert ne s'opère pas, il faut chauffer légèrement le tube vapeur 3 (typiquement avec 1W/m) à l'aide du moyen de réchauffage 20 pendant typiquement une heure afin d'expulser le liquide qui pourrait s'y trouver. Dans les cas où les capacités de condensation des espaces annulaires 14 des évaporateurs inactifs sont suffisantes, on peut supprimer tous les condenseurs. La boucle est alors uniquement constituée par des dispositifs d'évaporation classiques fonctionnant les uns en évaporateurs, les autres en condenseurs. Le concept proposé pour deux sources de chaleur peut être étendu à un concept multi-sources (on peut avoir une source différente par "évaporateur-condenseur", le système s'auto-adaptera). I1 n'est pas non plus nécessaire que les évaporateurs capillaires 1A, 1B ou les condenseurs 2A, 2B des sources A et B soient identiques en nombre ou en performances, ni que le nombre des ensembles évaporateurcondenseur soit le même dans toutes les sources. Dans le domaine spatial, le système selon l'invention peut être utilisé pour réaliser un transfert thermique entre les différentes parties d'un véhicule spatial soumises à des flux thermiques différents en fonction du temps (ensoleillement journalier ou saisonnier, dissipation thermique, ..). Les avantages de ce type de boucle par rapport au concept actuel consistent essentiellement en la possibilité de réaliser des transferts thermiques bidirectionnels avec une seule boucle, ce qui contribue à une simplification et à une réduction du bilan de masse. REVENDICATIONS 1. Système de transfert d'énergie entre une source chaude et une source froide, le système comprenant un évaporateur capillaire (1, 1A, 1B) situé dans la source chaude, et dans lequel un fluide est introduit à l'état liquide et passe intégralement à l'état de vapeur à l'intérieur des passages capillaires, un conduit de vapeur (3), un condenseur (2) situé dans la source froide où le fluide repasse à l'état liquide en se condensant sur des surfaces à grand rayon de courbure, et un conduit de liquide (4) qui ramène le fluide à l'évaporateur capillaire, le fluide circulant en circuit fermé sous l'effet de la pression générée au niveau de ménisque constituant les interfaces liquide/vapeur dans les passages capillaires de l'évaporateur, caractérisé en ce que le circuit fermé de fluide comprend deux ensembles formés chacun d'un évaporateur capillaire (1A, lB)relié au conduit de liquide et d'un condenseur (2A, 2B) intercalé entre l'évaporateur capillaire et le conduit de vapeur, l'un des ensembles se trouvant dans la source chaude et l'autre dans la source froide; et que la quantité de fluide est calculée de telle façon que l'évaporation se fait intégralement dans les passages capillaires de l'évaporateur capillaire (1A, 1B) situé dans la source chaude et que la condensation se fait dans le condenseur (2A, 2B) situé dans la source froide. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité de fluide est calculée pour que, dans toutes les conditions de fonctionnement, au moins une interface liquide-vapeur se trouve, une bulle de vapeur sans communication avec le conduit de vapeur pouvant néanmoins se trouver éventuellement du côté liquide de l'évaporateur capillaire. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, dans le cas où l'évaporateur capillaire est constitué d'une masse à porosité contrôlée (9) dans laquelle le liquide peut se vaporiser avec formation de ménisques (15) à faible rayon ou rayon équivalent, cette masse étant placée dans une enceinte entre deux chambres (13, 14) reliées l'une au conduit de liquide et l'autre au conduit de vapeur (3), le condenseur de la source froide est constitué au moins en partie par celle (14) desdites chambres qui est reliée au conduit de vapeur (3). 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il existe plusieurs sources chaudes et/ou plusieurs sources froides, et en ce qu'il y a au moins un desdits ensembles formés d'un évaporateur capillaire et d'un condenseur dans chaque source chaude et chaque source froide.