Brevet FR2728961A1 — publié le 19960705

ECHANGEUR THERMIQUE A CIRCULATION DE FLUIDE La présente invention est relative à un échangeur thermique à circulation de fluide notamment pour tube électronique. Dans cette application, I'échangeur thermique fonctionne en refroidisseur. Dans les tubes électroniques tels que les klystrons, c'est le collecteur qui nécessite un refroidissement Dans les tubes électroniques à grille, c'est ranode qui doit être refroidie. L'anode ou le collecteur sont généralement des pièces massives, en forme de cylindre creux, en matériau bon conducteur de la chaleur. Leur surface intérieure est bombardée par les éledrons émis par la cathode et la puissance thermique est évacuée radialement vers leur surface extérieure par conduction.Dans les échangeurs thermiques à circulation de fluide connus, pour améliorer le transfert thermique entre la surface extérieure et la masse de fluide (généralement de l'air) des ailettes sont montées radialement autour de la pièce à refroidir. La figure i illustre un tel échangeur thermique. Les ailettes portent la référence 1, la pièce à refroidir, qui est par exemple une anode, la référence 2. Les ailettes 1 sont généralement réalisées dans un matériau bon conducteur thermique tel que le cuivre, par exemple et sont brasées à la pièce 2 à refroidir. Les ailettes 1 sont disposées selon des génératrices du cylindre formant la pièce 2. L'espace 3 entre l'extrémité de deux ailettes i contiguees est obturé de manière à définir des canaux 4 de section sensiblement trapézoldale. Les canaux 4 obligent le fluide à parcourir un chemin dirigé selon les génératrices du cylindre de la pièce 2 à refroidir. La section de passage est plus petite à proximité de la pièce à refroidir 2 qu'à l'extrémité des ailettes 1, en conséquence moins de fluide circule à proximité de la pièce à refroidir qu'à l'extrémité des ailettes. C'est au niveau de la pièce à refroidir 2 que la température est la plus élevée, tandis qu'au niveau de l'extrémité des ailettes la température est moindre. Le rendement de cet échangeur thermique est loin d'être des meilleurs. Des améliorations ont été apportées en limitant la section de passage du fluide loin de la pièce à refroidir comme l'illustrent les figures 2a,2b,2c. Les ailettes 1 comportent des déformations 5 et des ouvertures 6. Ces modifications de la surface des ailettes i provoquent des pertes de charge importantes. Lorsque le fluide est de l'air, des turbines de forte puissance sont alors nécessaires pour l'injecter dans l'échangeur thermique. Le niveau sonore augmente considérablement II devient bien supérieur aux niveaux acceptables. De plus, le cout élevé de la turbine de forte puissance doit être pris en considération. Dans les tubes électroniques, le diamètre de la pièce à refroidir est imposé par les caractéristiques du tube. On est souvent obligé d'augmenter son diamètre extérieur en épaississant sa paroi pour pouvoir y braser suffisamment d'ailettes radiales. L'ensemble devient alors lourd et volumineux. La présente invention vise à améliorer le rendement d'un échangeur thermique à circulation de fluide tout en conservant un dispositif peu bruyant, simple à fabriquer, relativement peu volumineux et économique. La présente invention concerne donc un échangeur thermique à circulation de fluide destiné à assurer un échange thermique avec une pièce, comportant plusieurs canaux destinés à véhiculer le fluide. Une première portion de ces canaux a pour finalité de véhiculer le fluide vers une deuxième portion dans laquelle le fluide est en contact avec la surface extérieure de la pièce. Une troisième portion de ces canaux a pour finalité d'évacuer le fluide de la deuxième portion. Dans la première et la troisième portions, le fluide est véhiculé selon des directions transversales à la surface extérieure de la pièce. Tout le fluide est obligé de venir en contact avec la pièce puis est évacue. L'invention optimise la circulation du fluide dans les canaux qui seront de préférence délimités par des ailettes. L'échangeur thermique peut comporter en contact avec la pièce, plusieurs ailettes sensiblement parallèles et dans l'intervalle entre deux ailettes, plusieurs parois pour diviser cet intervalle en espaces indépendants. Au moins une doison partielle est prévue pour diviser les espaces indépendants, elle aménage un passage à proximité de la surface extérieure de la pièce. Un espace indépendant contribue à délimiter un canal, sa deuxième portion se trouvant au niveau du passage, sa première et sa troisième portions de part et d'autre de la cloison partielle. Par rapport aux échangeurs thermiques classiques, I'utilisation à la fois de cloisons et de parois améliore le transfert thermique. De préférence, les ailettes et/ou les parois sont sensiblement normales à la surface extérieure de la pièce. Lorsque la pièce est cylindrique, une construction particulièrement simple consiste à placer les ailettes sensiblement normalement à l'axe du cylindre et les parois radialement Il est aussi préférable que les cloisons soient radiales. Le fluide qui sort de la troisième portion d'un canal peut etre collecté dans un conduit Pour simplifier la construction, un meme conduit peut collecter le fluide provenant de plusieurs canaux. Dans la configuration d'une pièce cylindrique, le conduit sera de préférence dirigé selon l'axe du cylindre. Lorsque les ailettes etlou les parois sont fixées à la pièce, il est préférable que la fixation soit arrondie pour faciliter le passage du fluide dans la deuxième portion de canal. En effet, cette deuxième portion forme un coude par rapport aux deux autres et des angles arrondis permettent un meilleur écoulement du fluide. Comme dans les échangeurs classiques, il est préférable pour améliorer le transfert thermique que les ailettes etlou les parois soient brasées à la pièce. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures jointes qui représentent: - la figure i, déjà décrite, une coupe transversale d'un échangeur thermique de type connu; - les figures 2a,2b,2c, déjà décrites, respectivement une coupe transversale d'un échangeur thermique de type connu, une vue de face et une vue de profil d'une ailette du même échangeur thermique; - les figures 3a,3b respectivement une coupe transversale et une coupe longitudinale d'un échangeur thermique conforme à l'invention. Les figures 3a et 3b montrent en coupe transversale et longitudinale, un échangeur thermique 31 selon l'invention destiné à assurer un échange thermique avec une pièce référencée 30. L'échangeur thermique est disposé autour de la pièce 30 qui peut, par exemple, être l'anode à refroidir d'un tube électronique à grille. Dans ce cas, c'est un cylindre creux Bien entendu dans d'autres applications, elle pourrait avoir une autre forme, un parallélipipède ou un prisme par exemple. L'échangeur thermique 31 comporte plusieurs canaux 33 destinés à véhiculer le fluide, ce fluide venant en contact avec la surface extérieure de la pièce à refroidir 30. Ces canaux 33 comportent une première portion 34 destinée à véhiculer le fluide vers une deuxième portion 32 dans laquelle le fluide est en contact avec la surface extérieure de la pièce à refroidir 30, et une troisième portion 35 destinée à évacuer le fluide provenant de la deuxième portion 32. Dans la première et la troisième portions, le fluide est véhiculé selon des directions transversales à la surface extérieure de la pièce à refroidir 30. Selon un mode de réalisation préféré, l'échangeur thermique 31 comporte en contact avec la surface extérieure de la pièce à refroidir 30, des ailettes 36 sensiblement parallèles entre elles. De préférence, les ailettes 36 sont sensiblement normales à la surface extérieure de la pièce à refroidir 30. L'intervalle entre deux ailettes 36 est cloisonné par des parois 37 en contact avec la surface extérieure de la pièce à refroidir 30. De préférence, les parois 37 ont une hauteur sensiblement égale à celle des ailettes 36. Ces parois 37 divisent l'intervalle entre deux ailettes 36 en espaces indépendants les uns des autres. Un espace indépendant contribue à délimiter un canal 33. Ces espaces indépendants sont divisés par au moins une cloison partielle 38. Des passages 39 sont aménagés entre les cloisons partielles 38 et la surface extérieure de la pièce à refroidir 30. La deuxième portion 32 d'un canal est située au niveau d'un passage 39. La première 34 et la troisième 35 portions sont situées de part et d'autre d'une cloison partielle 38. La pièce à refroidir 30 représentée sur les figures 3a et 3b est cylindrique d'axe Xx'. Les ailettes 36 sont sensiblement normales à l'axe X)C et les parois 37 sont radiales. Les cloisons partielles 38 ont été représentées également radiales. II aurait été possible qu'elles soient parallèles aux ailettes 36. D'autres configurations seraient encore possibles. II est préférable qu'un espace indépendant soit divisé par une cloison partielle 38 en deux parties égales et que le passage 39 soit tel que la section de passage du fluide dans les trois portions du canal soit sensiblement la même. Le fluide de refroidissement pénètre dans l'échangeur thermique par la première portion 34 des canaux 33 à une température inférieure à celle de la pièce à refroidir, arrive en contact avec la pièce à refroidir 30 dans la deuxième portion 32 et est ensuite évacué par la troisième portion 35. Le fluide se réchauffe lorsqu'il vient en contact avec la pièce à refroidir 30. La pièce à refroidir 30 et l'échangeur thermique 31 sont généralement placés dans une enceinte 40 alimentée en fluide de refroidissement. Dans le cas où le fluide est un gaz, de l'air par exemple, une turbine (non représentée) peut être utilisée pour mettre en circulation le gaz dans l'enceinte 40. Pans le cas où le fluide est un liquide, de l'eau par exemple, l'enceinte 40 peut être alimentée en liquide sous pression. Le fluide réchauffé est collecté après avoir être passé dans la troisième portion 35 des canaux 33. Les canaux 33 débouchent dans un conduit 41. Un même conduit 41 peut servir pour collecter le fluide provenant de plusieurs canaux 33. Dans l'exemple des figures 3a,3b, le conduit 41 est dirigé selon l'axe XX. II collecte le fluide provenant de canaux 33 qui ont des parois 37 placées sur un même rayon. Ce conduit 41 évacue le fluide réchauffé hors de l'enceinte 40. Les ailettes 36, les parois 37 et les cloisons partielles 38 seront de préférence réalisées dans un matériau bon conducteur thermique tel que le cuivre. Elles pourront être assemblées entre elles et fixées à la pièce à refroidir 30 par brasure par exemple pour améliorer le transfert thermique. Pour faciliter le passage du fluide dans la deuxième portion 32 des canaux 33, il est possible que les fixations entre les ailettes 36 et la surface extérieure de la pièce à refroidir 30 soient arrondies. Il en est de même pour les fixations entre les parois 37 et la surface extérieure de la pièce à refroidir 30. Contrairement aux échangeurs thermiques du type représenté sur la figure 1, la température du fluide est sensiblement constante sur toute la surface de la pièce 30. L'échangeur thermique selon l'invention conduit à un transfert thermique plus uniforme. Pour optimiser le rendement de l'échangeur thermique selon l'invention, il est possible de jouer sur le nombre de canaux, sur leur section et sur leur longueur. II est alors possible de choisir de manière appropriée répaisseur des ailettes 36, des parois 37, et des cloisons partielles 38, leur espacement, leur hauteur ainsi que la section des conduits d'évacuation 41. Entre quatre et huit canaux 33, par exemple peuvent ceinturer l'anode d'un tube de type tétrode et une quinzaine de canaux peuvent déboucher dans un même conduit 41. Un échangeur thermique selon l'invention peut être associé à une pièce dont l'épaisseur de la paroi est plus faible que celle des pièces utilisées jusqu'à présent. En effet, le nombre d'ailettes que l'on peut utiliser ne dépend plus du diamètre extérieur de la pièce. L'épaisseur de paroi étant plus faible, le volume de la pièce sera moindre et celui de réchangeur thermique également. Un gain en volume est toujours appréciable. Les canaux de l'échangeur thermique selon l'invention ont été délimités aves les ailettes, les parois et les cloisons partielles. D'autres configurations de canaux sont envisageables sans sortir du cadre de l'invention. L'échangeur thermique selon l'invention n'a été décrit précédemment que dans une application de refroidisseur, mais il peut bien sur être utilisé dans une application de réchauffeur, il suffit que le fluide ait dans la première portion des canaux une température supérieure à celle de la pièce à réchauffer. REVENDICATIONS 1 - Echangeur thermique (31) à circulation de fluide, destiné à assurer un échange thermique avec une pièce (30), comportant plusieurs canaux (33) destinés à véhiculer le fluide, caractérisé en ce que ces canaux (33) comportent une première portion (34) dans laquelle le fluide est véhiculé vers une deuxième portion (32) dans laquelle le fluide est en contact avec la surface extérieure de la pièce (30) et une troisième portion (35) dans laquelle le fluide est évacué de la deuxième portion (32), le fluide étant véhiculé selon des directions transversales à la surface extérieure de la pièce (30) dans la première et la troisième portions (34, 35). 2 - Changeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en contact avec la pièce (30): - plusieurs ailettes (36) sensiblement parallèles les unes aux autres, - plusieurs parois (37) pour cloisonner l'intervalle entre deux ailettes (36) en espaces indépendants, ces espaces indépendants comportant au moins une cloison (38) partielle pour les diviser, un passage (39) étant aménagé entre la cloison (38) et la surface extérieure de la pièce (30), un espace indépendant contribuant à délimiter un canal (33), sa deuxième portion (32) se trouvant au niveau du passage (39), ses première et troisième portions (34,35) de part et d'autre de la cloison partielle (38). 3 - Echangeur thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ailettes (36) sont sensiblement normales à la surface extérieure de la pièce (30). 4 - Echangeur thermique selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les parois (37) sont sensiblement normales à la surface extérieure de la pièce (30). 5 - Echangeur thermique selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que, lorsque la pièce (30) est circulaire daxe (xi), les ailettes (36) sont normales à l'axe (xi,), les parois (37) radiales. 6 - Echangeur thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les cloisons partielles (38) sont radiales. 7 - Echangeur thermique selon l'une des revendications i à 6, caractérisé en ce que la troisième portion (35) d'un canal (33) débouche dans un conduit (41) d'évacuation du fluide. 8 - Echangeur thermique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le conduit (41) est dirigé selon l'axe (X)C) de la pièce (30). 9 - Echangeur thermique selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'un même conduit (41) recueille le fluide de plusieurs canaux (33). 10 - Echangeur thermique selon l'une des revendications i à 9, caractérisé en ce qu'il est contenu avec la pièce (30) dans une enceinte (40) alimentée en fluide. Il - Echangeur thermique selon la revendication 10, caractérisé en ce que le conduit (41) évacue le fluide à l'extérieur de l'enceinte (40). 12 - Echangeur thermique selon l'une des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que les ailettes (36) sont fixées à la surface extérieure de la pièce (30), cette fixation étant arrondie. 13 - Echangeur thermique selon l'une des revendications 2 à 12, caractérisé en ce que les parois (37) sont fixées à la surface extérieure de la pièce (30), cette fixation étant arrondie. 14 - Echangeur thermique selon l'une des revendications 2 à 13, caractérisé en ce que la hauteur des parois (37) est sensiblement égale à celle des ailettes (36). 15 - Echangeur thermique selon l'une des revendications 2 à 14, caractérisé en ce que les ailettes (36) et(ou les parois sont brasées à la surface extérieure de la pièce (30). 16 - Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que les portions d'un même canal (33) ont une section de passage sensiblement égale.