Brevet FR2742219A1 — publié le 19970613

EVAPORATEUR DE BOUCLE FLUIDE A POMPAGE CAPILLAIRE La présente invention concerne les évaporateurs destinés aux boucles fluides à pompage capillaire. On désigne par ce terme un appareil permettant d'absorber de la chaleur par évaporation d'un fluide caloporteur dans un corps chaud constituant évaporateur et de la restituer dans un corps froid constituant condenseur. Cet appareil utilise la capillarité des matériaux poreux pour générer la pression motrice nécessaire à la circulation du fluide. De telles boucles présentent de l'intérêt chaque fois que l'on souhaite évacuer de la chaleur en évitant l'emploi d'un organe de mise en circulation consommant de la puissance et diminuant la fiabilité. On utilise notamment de telles boucles sur les engins spatiaux et les satellites, afin d'évacuer de la chaleur provenant d'un circuit électrique vers un radiateur rayonnant vers l'espace noir ou pour équilibrer les températures de composants ou de radiateurs. Dans ce dernier cas, la boucle est constituée de façon à être réversible. L'invention concerne plus particulièrement les évaporateurs du genre comprenant une "mèche" poreuse qui peut être annulaire ou plate. Si elle est annulaire, elle délimite un canal d'arrivée de liquide vaporisable et est contenue dans un corps tubulaire dont la face interne présente des cannelures longitudinales d'évacuation de vapeur vers une zone de condensation. Si elle est plate, elle sépare un canal d'un corps ayant des cannelures longitudinales. La puissance thermique à évacuer à partir du corps, qui constitue le point chaud, transite, à travers les dents qui séparent les cannelures, vers la mèche. Pour obtenir une conductance thermique élevée à l'interface, la mèche des évaporateurs actuels est montée de façon serrée contre les dents. Le fonctionnement de l'évaporateur annulaire, schéma tisé en figure 1, est alors le suivant : sous l'action du flux thermique g provenant du corps 10, du liquide traversant la mèche 12 par capillarité se vaporise dans une zone de la mèche proche du contact entre cette dernière et chaque dent 14. La vapeur s'échappe à travers les pores de la mèche pour rejoindre les cannelures 16 encadrant chaque dent, comme indiqué par les flèches t. La mèche partiellement asséchée ré-aspire du liquide depuis l'autre face par capillarité. Le choix de la largeur L1 des dents et de la largeur L2 des cannelures le long de la périphérie de la mèche (ou par unité de largeur) résulte d'un compromis. Une augmentation de la largeur de la dent augmente la surface de transfert de la chaleur, ce qui est favorable, mais en contrepartie elle allonge le parcours latéral de la vapeur, ce qui accroît les pertes de charge et la poche de valeur présente sous les dents. A l'inverse, des dents fines favorisent l'écoulement de la vapeur mais minimisent la surface de transfert de la chaleur. Dans la plupart des évaporateurs actuels, le compromis adopté consiste à donner aux dents et aux cannelures la même section droite en forme de trapèze. La présente invention vise notamment à fournir un évaporateur du type ci-dessus défini ayant des performances accrues à encombrement égal. Dans ce but, l'invention propose notamment un évaporateur du genre ci-dessus défini caractérisé par un jeu entre mèche et dents de 0,05 mm à 0,15 mm entre la mèche et le corps ; dans ces conditions, on peut augmenter le rapport entre la largeur des dents et la largeur des cannelures en regard de la mèche. En effet, les pertes de charge subies par la vapeur lors de sa circulation dans le jeu sont très notablement inférieures aux pertes de charge subies pour traverser les pores de la mèche. Cela permet d'adopter des dents de largeur très accrue, l'augmentation du chemin latéral suivi par la vapeur pour arriver dans les cannelures étant pratiquement négligeable comparée au gain. L'augmentation de la résistance thermique à l'interface, due à la présence du jeu, peut être très largement compensée par l'augmentation de la surface d'échange entre les dents et la mèche. L'existence du jeu apporte d'autres avantages. I1 devient facile de monter la mèche poreuse, alors qu'un ajustage serré nécessite un outillage spécifique. La présence du jeu diminue de façon très significative le risque de désamorçage de la boucle, par assèchement de la mèche provoquée par la pression de la vapeur, qui tend à refouler le liquide loin des dents. Le jeu peut être aisément maintenu à une valeur constante, par exemple en munissant la mèche de colliers minces de centrage de la mèche disposés à intervalles réguliers et dont l'épaisseur définit le jeu lorsque la mèche est tubulaire. Par ailleurs, il a été constaté que la forme polygonale des cannelures présentait des inconvénients : à section de passage égale, une forme cylindrique présente moins de surface mouillée et évite les pertes de charges inutiles dans la vapeur. Toujours à section de passage égale, cette forme limite les strictions des dents, et favorise le chemin thermique vers les dents. Le liquide ne s'accroche plus dans les angles par capillarité, mais tend à retourner vers la mèche. Ceci est particulièrement important si la boucle est réversible et que le dispositif est cette fois utilisé en condenseur, le liquide retourne naturellement vers la mèche ou il est aspiré. Conformément à un aspect secondaire de l'invention, on donne à chaque cannelure une section droite qui comprend une portion à périphérie courbe et un débouché qui est seul à angles vifs, de développement angulaire autour de l'axe très inférieur au développement angulaire de la partie courbe. La portion qui définit le passage d'évacuation de vapeur vers la zone de condensation peut être sensiblement circulaire, donc facile à usiner, ou elliptique pour diminuer le rayon hydraulique, tandis que le débouché est délimité par deux parois faisant des angles vifs avec le passage et avec la périphérie interne du corps. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre dexem- ple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1, déjà mentionnée, est une vue en coupe d'un évaporateur de type connu - la figure 2, similaire à la figure 1, est une vue en coupe d'un évaporateur suivant l'invention ; et - la figure 3 est une courbe de variation de la puissance évacuée en fonction du jeu radial, pour un évaporateur du genre montré en figure 2. L'évaporateur qui sera maintenant décrit à titre d'exemple est utilisable dans une boucle fluide de type classique, ayant par exemple la constitution décrite dans l'article de Van Oost et al "Capillary-pumped heat transport system two-phase loop and evaporators - research and results", Proceedings of the 4th European Symposium on Space Environmental and Control Systems, 21-24 Oct. 1991, ESA SP324, Déc. 1991, p. 77 seq. L'évaporateur comprend encore un corps tubulaire 14, généralement métallique, et une mèche poreuse 12, généralement en matière céramique ou synthétique, ayant une porosité ouverte. Pour diminuer les pertes de charge subies par la vapeur, un jeu i est ménagé entre la mèche et la périphérie interne du corps tubulaire 14. La valeur optimale de ce jeu dépend de la nature du fluide utilisé, du rapport L2/L1 entre la largeur du débouché des cannelures et la largeur des dents et, dans une moindre mesure, du diamètre de la mèche. Dans la pratique, le jeu optimum est en général compris entre 0,10 et 0,15 mm. Pour augmenter la surface d'échange thermique et compenser ainsi la réduction du coefficient d'échange dû au jeu i, on donnera généralement au rapport L2/Ll une valeur très inférieure à celles couramment adoptées à l'heure actuelle ; cette valeur sera inférieure à 1/2 et souvent comprise entre 1/3 et 1/6. Pour diminuer les pertes de charge subies par la vapeur au cours de son écoulement longitudinal, les cannelures ont avantageusement une largeur moyenne, dans le sens circonférentiel, très supérieure à L2 ; pour éviter l'accrochage de gouttes sur des angles vifs éloignés du débouché, sur la partie formant passage de vapeur, une périphérie courbe est préférable. Dansle cas illustré sur la figure 2, le passage a une section circulaire de diamètre approximativement égal à (L1+L2)/2 ; le débouché est à parois planes et parallèles et sa profondeur radiale L3 est approximativement égale à L2/2. Mais d'autres valeurs sont possibles. Pour accroître le rapport entre surface et volume du passage, une forme autre que circulaire peut être adoptée, notamment une forme elliptique allongée dans le sens radial. Des essais effectués en utilisant l'ammoniac comme fluide, avec un profil de cannelures du genre montré en figure 2, ont permis d'établir la courbe de variation de la puissance évacuée en fonction du jeu montré en figure 3. On voit que la courbe présente un maximum pour j = 0,125 mm environ et qu'un jeu compris entre 0,11 et 0,14 mm donne des résultats beaucoup plus favorables qu'un montage serré, correspondant à un jeu nul. REVENDICATIONS 1. Evaporateur de boucle fluide à pompage capillaire, comprenant une mèche poreuse (12) délimitant un canal d'arrivée de liquide vaporisable et contenue dans un corps (10) dont la face interne comporte des cannelures longitudinales d'évacuation de vapeur vers une zone de condensation, caractérisé par un jeu radial (j) de 0,10 à 0,15 mm entre la mèche (12) et les dents (14) du corps tubulaire (10) séparant les cannelures. 2. Evaporateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre la largeur (L2) du débouché des cannelures et la largeur (L1) des dents à la périphérie interne du corps tubulaire est inférieur à 1/2 et avantageusement compris entre 1/3 et 1/6. 3. Evaporateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque cannelure a une section droite qui comprend un passage de vapeur à paroi courbe et un débouché ayant des angles vifs, de développement angulaire inférieur au développement angulaire du passage lorsque le corps est tubulaire. 4. Evaporateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le passage est à section circulaire ou elliptique. 5. Evaporateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mèche est en matière céramique ou synthétique à porosité ouverte. 6. Evaporateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, le liquide vaporisable étant de l'ammoniac, le jeu (j) est compris entre 0,11 et 0,14 mm. 7. Evaporateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mèche (12) est annulaire et le corps est tubulaire. 8. Evaporateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la mèche porte des colliers tubulaires disposés à intervalles réguliers et constituant des entretoises de centrage.