Brevet FR2741427A1 — publié le 19970523

L'invention concerne le domaine de la thermotechnique et peut être utilisée dans les systèmes de refroidissement des appareils qui dégagent de la chaleur. On connaît des tubes thermiques à artère ou des tubes thermiques à mèche homogène (1), (2), comportant un corps avec une structure capillaire et ayant des zones d'évaporation, de transport et de condensation. La particularité distinctive de ces dispositifs réside en ce qu'ils peuvent absorber et/ou céder la chaleur à tout endroit quelconque suivant toute leur longueur ainsi qu'absorber et/ou céder la chaleur à plusieurs endroits simultanément. Toutefois, les possibilités de ces tubes thermiques sont limitées par la valeur de la charge thermique à transmettre et par la distance du transfert de la chaleur et de la masse. Selon son essentiel technique, le circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire (3) est le plus proche des solutions techniques de l'invention. Il comporte, reliés par une conduite de vapeur et une conduite de condensat, des évaporateurs, à l'intérieur desquels sont montées des pompes capillaires, et un condenseur (condenseurs) ainsi qu'un réservoir qui est relié à la conduite de condensat par une conduite particulière. En comparaison avec les tubes thermiques décrits dans les documents (1) et (2), le circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire transmet des charges thermiques sensiblement supérieures et aux plus grandes distances et offre des possibilités supplémentaires telles que : fonctionnement en régime à diode, fonctionnement en régime de régulation avec modification de la position des conduites de transport pendant le fonctionnement, etc. De plus, les circuits de transfert de chaleur à deux phases et & pompage capillaire peuvent fonctionner dans des conditions de gravitation lorsque les évaporateurs sont sensiblement plus puissants en comparaison avec un condenseur grâce à une haute pression capillaire qui est développée par les pompes capillaires. Malgré de nombreux avantages, les circuits de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire sont caractérisés par certains inconvénients. En particulier, pour assurer le fonctionnement fiable du circuit de transfert de chaleur à deux phases à pompage capillaire, il est indispensable d'amener en continu un caloporteur liquide refroidi à l'intérieur d'un canal d'alimentation de la pompe capillaire, installée à l'intérieur de chaque évaporateur. Dans ce cas, le liquide doit être surrefroidi de façon à prévenir la formation éventuelle de vapeur dans les canaux d'alimentation de la pompe capillaire. La pratique a fait apparaître que dans certaines situations, le flux thermique pénétrant à travers la pompe capillaire peut provoquer une forte vaporisation dans les canaux d'alimentation (blocage des canaux d'alimentation par des bulles de vapeur) et le dessèchement ultérieur des évaporateurs. Cet inconvénient aboutit à des situations critiques et, enfin, à l'interruption du fonctionnement de certains évaporateurs et/ou de tout l'ensemble du circuit de transfert de chaleur & deux phases et à pompage capillaire.Ces situations similaires des pannes peuvent avoir lieu pendant le fonctionnement du circuit de transfert de chaleur & deux phases et à pompage capillaire en régimes transitoires, par exemple, pendant le démarrage, une modification rapide des conditions de l'amenée de la chaleur et/ou de l'évacuation de la chaleur, pendant la modification de la répartition de la charge thermique entre les évaporateurs, etc. Il n'est pas toujours possible de compenser pendant ces régimes le flux thermique qui pénètre à travers la pompe capillaire par le surrefroidissement du liquide, ce qui conduit à la formation de bulles de vapeur et à leur croissance intensive dans les canaux d'alimentation et, en définitive, à l'interruption du fonctionnement de la pompe capillaire. L'invention proposée vise à assurer la suralimentation garantie des canaux d'alimentation des pompes capillaires et à assurer l'évacuation garantie et/ou la condensation des bulles de vapeur dans les canaux d'alimentation de la pompe capillaire. Pour atteindre les buts visés, on propose deux variantes réalisées en principe par un même mode. Selon la première variante, le circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire comportant, reliés par une conduite de vapeur et une conduite de condensat, des évaporateurs à l'intérieur desquels sont montés des pompes capillaires et au moins, un condenseur ainsi qu'un réservoir, relié par une conduite à la conduite de condensat, est caractérisé en ce que chaque évaporateur est muni d'un microréfrigérateur thermoélectrique, relié par un assemblage par brasure chaude à une zone d'amenée de chaleur de l'évaporateur, et d'un tuyau thermique supplémentaire qui est introduit à l'intérieur d'un canal d'alimentation de la pompe capillaire et vient en contact, par sa partie libre, avec l'assemblage par brasure froide du microréfrigérateur thermoélectrique. En outre, il est possible que l'assemblage par brasure chaude du microréfrigérateur thermoélectrique soit relié à la zone d'amenée de chaleur de l'évaporateur à l'aide d'un conducteur de chaleur, par exemple, d'un tuyau thermique ou d'une barre thermique en cuivre. Il est possible que le tuyau thermique supplémentaire soit fixé dans le canal d'alimentation à l'aide des ailettes qui forment un système de canaux longitudinaux parallèles. Selon la seconde variante, le circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire comportant, reliés par une conduite de vapeur et une conduite de condensat, des évaporateurs à l'intérieur desquels sont montés des pompes capillaires et, au moins, un condenseur, ainsi qu'un réservoir relié par une conduite à la conduite de condensat, est caractérisé en ce que chaque évaporateur est muni d'une structure capillaire supplémentaire et aussi d'un microréfrigérateur thermoélectrique, en ce que la structure capillaire supplémentaire relie les parois du canal d'alimentation de la pompe capillaire aux parois intérieures de la partie de la conduite de condensat, qui est adjacente à l'évaporateur et le microréfrigérateur thermoélectrique est relié à l'extérieur aux parois de la conduite de condensat par assemblage par brasure froide et à la zone du conducteur thermique de l'évaporateur par assemblage par brasure chaude. En outre, il est avantageux que l'assemblage par brasure chaude du microréfrigérateur thermoélectrique soit relié à la zone du conducteur thermique de l'évaporateur à l'aide d'un conducteur thermique, par exemple, d'un tuyau thermique ou d'une barre thermique en cuivre. Il est possible de monter, à l'endroit où la structure capillaire supplémentaire est reliée à la conduite de condensat, un isolateur capillaire réalisé à partir d'une structure poreuse dont la dimension des pores est inférieure à la dimension des pores de la structure capillaire supplémentaire. En utilisant deux variantes de réalisation proposées de l'invention, on atteint en principe un même résultat technique. Le refroidissement actif des canaux d'alimentation des pompes capillaires des évaporateurs à l'aide des microréfrigérateurs thermoélectriques permet de prévenir et/ou localiser la formation de la vapeur, qui empêche, dans certains cas, l'arrivée nécessaire du liquide dans 1 'évaporateur. Dans tous les cas, la chaleur qui a été dégagée par l'assemblage par brasure chaude du microréfrigérateur thermoélectrique est évacuée vers la zone du conducteur thermique de l'évaporateur. Toutefois, on peut le faire soit à l'aide du contact thermique direct, soit à l'aide d'un conducteur thermique. L'utilisation dudit conducteur thermique (prévu tant dans la première variante que dans la deuxième variante) permettra de résoudre les problèmes technologiques que l'on doit résoudre à la liaison des pans actifs des microréfrigérateurs thermoélectriques avec les zones de refroidissement et de chauffage.Il est préférable que l'assemblage par brasure chaude du microréfrigérateur thermoélectrique soit relié directement à la zone du conducteur thermique du fait que le microréfrigérateur thermoélectrique fonctionne d'une manière plus efficace, toutefois, on ne réussit pas toujours à courber un tuyau thermique qui est destiné à refroidir un canal d'alimentation. La particularité distinctive de la seconde variante proposée réside en ce que les parois intérieures d'un canal d'alimentation d'un évaporateur et la partie adjacente de la conduite de condensat forment un corps déjà fini d'un tube thermique. En équipant ces parties d'une mèche, on obtient un tube thermique dans lequel on utilise le même caloporteur que dans le circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire. Toutefois, à la mise au point d'une structure capillaire supplémentaire, il est nécessaire de prendre en considération que le débit de liquide dans ce tube sera notablement supérieur au débit dans les tubes thermiques supplémentaires de la première variante. Le choix définitif de la première variante ou de la deuxième variante peut être réalisé après une analyse de l'ensemble des conditions de l'utilisation, de la technologie de fabrication, des paramètres géométriques, des avantages économiques etc. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lecture de la description explicative qui va suivre des modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente un circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire réalisé selon la première variante, comprenant deux évaporateurs dans les canaux d'alimentations desquels sont montés des tubes thermiques, les assemblages par brasure chaude du microréfrigérateur thermoélectrique étant, dans ce cas, reliés directement aux zones d'amenée de chaleur des évaporateurs - la figure 2 représente un circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire, les tubes thermiques étant engagés aussi dans les canaux d'alimentation desdits évaporateurs et les assemblages par brasure chaude des microréfrigérateurs étant reliés, dans ce cas, aux zones d'amenée de chaleur à l'aide des conducteurs de chaleur - la figure 3 représente un circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire réalisé selon la deuxième variante selon laquelle une structure capillaire supplémentaire est montée au lieu du tube thermique supplémentaire ; et - la figure 4 représente la deuxième variante d'un circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire muni d'une structure capillaire supplémentaire. La figure 1 représente, à titre d'exemple illustratif, un circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire qui comporte des évaporateurs 1 et 2 et un condenseur 3, qui sont reliés entre eux par des conduites (une conduite de vapeur 4 et une conduite de condensat 5) et un réservoir 6, relié à la conduite de condensat 5 par une conduite particulière 7. Les évaporateurs sont équipés de microréfrigérateurs thermoélectriques 8, 9. L'assemblage par brasure chaude de chaque microréfrigérateur thermoélectrique est relié aux zones d'amenée de chaleur de son évaporateur et l'assemblage par brasure froide est relié aux canaux d'alimentation correspondants des pompes capillaires 12 et 13 à l'aide de tubes thermiques supplémentaires 10 et 11.On assure ainsi la liaison thermique des assemblages par brasure froide d'un microréfrigérateur thermoélectrique avec les canaux d'alimentation et la chaleur qui passe à travers les parois d'une pompe capillaire est compensée suivant toute la longueur. Sur la figure 2, on a représenté que la chaleur peut être transférée de l'assemblage par brasure chaude à la zone d'amenée de chaleur également à l'aide d'un conducteur de chaleur, par exemple, de tubes thermiques 14, 15. Les tubes thermiques supplémentaires peuvent être fixés à l'intérieur des canaux d'alimentation à l'aide de fixateurs appropriés 16 (coupe A-A), réalisés en forme d'ailettes longitudinales. Lesdites ailettes permettent de créer un système des canaux d'alimentation longitudinaux refroidis. La figure 3 représente la deuxième variante de l'invention réalisée en forme d'un circuit de transfert de chaleur à deux phases comprenant deux évaporateurs équipés de microréfrigérateurs thermoélectriques, dont les assemblages par brasure chaude sont reliés à la zone d'amenée de chaleur de l'évaporateur et les assemblages par brasure froide sont reliés à une partie de la conduite de condensat qui s'applique directement à la pompe capillaire. Ladite partie de la conduite de condensat est reliée aux canaux d'alimentation par une structure capillaire supplémentaire 17, 18.Les éléments intérieurs du circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire (un canal d'alimentation + une partie adjacente de la conduite de condensat) reliés par une structure capillaire supplémentaire font office, en réalité, de tube thermique qui absorbe la chaleur suivant toute la longueur du canal d'alimentation et cède cette chaleur à l'endroit du montage de l'assemblage par brasure froide du microréfrigérateur thermoélectrique.Il convient de noter que pour évacuer la chaleur, on utilise toujours, dans le canal d'alimentation, le même caloporteur qui est utilisé dans le circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire (par exemple, ammoniac) tandis que dans la variante précédente, il est possible d'utiliser, dans le tube thermique supplémentaire et dans le circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire, différents caloporteurs (par exemple, fréon/ammoniac). Sur la figure 4, on a représenté que la chaleur peut aussi être transférée depuis l'assemblage par brasure chaude du microréfrigérateur thermoélectrique dans la zone d'amenée de chaleur à l'aide d'un conducteur thermique, par exemple des tubes thermiques 19, 20. La vue E (figure 4) représente un endroit où est reliée la conduite de condensat à la structure capillaire supplémentaire. Il est possible de monter, à cet endroit, une structure capillaire finement poreuse 21 qui fera fonction d'isolateur capillaire dont la dimension des pores est inférieure à la dimension des pores de la structure capillaire supplémentaire et qui empêchera la vapeur de sortir dans la canalisation de liquide (partie commune de la conduite de condensat) et d'influencer sur le fonctionnement d'autres évaporateurs. Le circuit de transfert de chaleur à deux phases et & pompage capillaire fonctionne de la manière suivante. L'amenée de chaleur aux évaporateurs et une attaque thermique agissant sur la pompe capillaire ainsi que l'attaque thermique entre les zones d'amenée de chaleur des évaporateurs et le condenseur contribuent à la circulation du caloporteur à l'intérieur du circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire. Le caloporteur s'évapore de la surface extérieure de la pompe capillaire et est transporté en forme d'un courant de vapeur à travers la conduite de vapeur vers le condenseur où cette vapeur est condensée et puis revient en forme du liquide refroidi vers les évaporateurs. Pour le fonctionnement normal (suralimentation) de la pompe capillaire, le liquide entrant dans les canaux d'alimentation de la pompe capillaire doit être respectivement refroidi du fait que la chaleur, qui doit être compensée, pénètre à travers les parois de la pompe capillaire dans les canaux d'alimentation. Toutefois, la consommation du caloporteur refroidi circulant à travers un canal d'alimentation en liquide de chaque pompe capillaire et, respectivement, les réserves de la capacité de réfrigération du courant de liquide arrivant dépendent de la charge thermique appliquée audit évaporateur. Par exemple, si la charge thermique décroît sur l'un des évaporateurs, le débit du caloporteur dans le canal d'alimentation d'une pompe capillaire correspondant décroît lui aussi.En même temps, le flux thermique passant à travers la pompe capillaire dudit évaporateur peut être suffisamment important du fait que la charge thermique totale (compte tenu de la charge thermique des autres évaporateurs) peut créer un gradient thermique assez important à tous les évaporateurs (pompes capillaires) du circuit en question. A ce moment, la formation de la vapeur commence dans le canal d'alimentation de l'évaporateur faiblement chargé et empêche l'arrivée du liquide alimentant la pompe capillaire. L'endroit du canal d'alimentation qui se trouve à la plus grande distance par rapport au raccordement avec la conduite de condensat est le plus vulnérable au point de vue de la formation de vapeur et du blocage de la suralimentation du fait que le débit de liquide à cet endroit est minimal et sa température est maximale.Un microréfrigérateur thermoélectrique, monté sur un évaporateur, permet de prévenir la croissance progressive des bulles de vapeur. La chaleur nécessaire à maintenir la capacité de fonctionnement de la pompe capillaire est évacuée à travers la liaison thermique de l'assemblage par brasure froide du microréfrigérateur thermoélectrique avec le canal d'alimentation de la pompe capillaire. Ladite liaison thermique est créée à l'aide d'un tube thermique supplémentaire. Dans ce cas, le liquide se déplace suivant toute la longueur du canal d'alimentation à travers un espacement et est refroidi indépendamment de la variation du débit.Dans le cas de difficultés dues à la construction et à la technologie de la réalisation de la liaison de l'assemblage par brasure chaude du microréfrigérateur thermoélectrique avec l'évaporateur, ladite liaison peut être réalisée à l'aide d'une barre thermique, par exemple, en cuivre ou à l'aide d'un tube thermique. On ne modifie pas le principe de fonctionnement du dispositif. Toutefois, l'efficacité de fonctionnement du microréfrigérateur thermoélectrique baisse. La structure capillaire supplémentaire réalisée selon la deuxième variante (mode représenté sur la figure 4) fonctionne d'une manière différente. En réalité, elle forme un tube thermique à l'intérieur d'un canal d'alimentation mais elle utilise pour son fonctionnement un caloporteur identique à celui utilisé dans le circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire. Dans ce cas, on atteint le même objectif. A l'aide du refroidissement actif, on prévient la croissance progressive des bulles de vapeur dans les canaux d'alimentation des pompes capillaires. Toutefois, dans ce cas, une formation locale de vapeur est admissible. La vapeur qui est formée pendant un régime transitoire peut refouler le liquide dans la direction inverse mais seulement jusqu'à l'endroit où est monté l'assemblage par brasure froide du microréfrigérateur thermoélectrique du fait que, après la libération de cet endroit, le liquide ouvre la surface de condensation. Pendant cette formation contrôlée de la vapeur, le liquide pour la suralimentation de la pompe capillaire est déplacé vers les parois des canaux d'alimentation à l'aide de la même structure capillaire supplémentaire. Pendant le fonctionnement d'un circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire comprenant plusieurs évaporateurs, la vapeur pourra pénétrer dans la canalisation d'alimentation.Dans le but de prévenir cet inconvénient, on a réalisé la partie de la structure capillaire supplémentaire qui obture la sortie de la conduite de condensat en un matériau finement poreux et elle fait fonction d'isolateur capillaire. Ainsi, on a localisé la formation de la vapeur dans un seul évaporateur tant pour l'objectif thermique que pour l'objectif hydraulique. Les microréfrigérateurs thermoélectriques peuvent être mis en action tant pour toute la période du fonctionnement du circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire que pur certaines durées de temps qui sont caractérisées par un risque d'avaries. Il est également possible d'utiliser des moyens automatiques qui mettent les microréfrigérateurs thermoélectriques en marche conformément à une minuterie électronique, aux indications des capteurs de température etc. (autrement dit, le microréfrigérateur thermoélectrique peut être mis en action, contrôlé et commandé spécialement compte tenu de situations éventuelles pouvant entraîner des pannes). L'application de l'invention permettra d'élargie les possibilités de l'utilisation du circuit de transfert de chaleur à deux phases et à pompage capillaire pour le refroidissement des objets qui dégagent de la chaleur (dans le domaine cosmique et dans d'autres branches de l'industrie) en assurant le fonctionnement fiable des évaporateurs dans les cas d'une modification des conditions dans la zone de l'amenée de la chaleur et/ou de l'évacuation de la chaleur, lors d'une répartition irrégulière ou discontinue de la charge thermique aux évaporateurs ainsi que pendant d'autres régimes transitoires pouvant aboutir au dessèchement des évaporateurs. Sources de l'information 1. Dan P.D., Rey D.A. Tubes thermiques, M. Energia, 1979, pages 172 à 173. 2. S. Chi. Tubes thermiques. Théorie et pratique. M. Mashinostroenie, 1981. 3. J. Ku, E. Kroliczek, R. McIntosh, "CAPILLARY PUMPED LOOP TEHNOLOGY DEVELOPEMENT" Cth International Heat Pipe Conference, 25-29 Mai 1987, Grenoble, France. REVENDICATIONS 1. Circuit de transfert de chaleur à deux phases et & pompage capillaire comprenant, reliés par une conduite de vapeur et une conduite de condensat, des évaporateurs & l'intérieur desquels sont montées des pompes capillaires et, au moins, un condenseur, ainsi qu'un réservoir relié par une conduite à la conduite de condensat, caractérisé en ce que chaque évaporateur (1, 2) est muni d'un microréfrigérateur thermoélectrique (8, 9), relié par un assemblage par brasure chaude à une zone d'amenée de chaleur de l'évaporateur et d'un tube thermique (10, 11) supplémentaire qui est introduit à l'intérieur d'un canal d'alimentation de la pompe capillaire (12, 13) et vient en contact par sa partie libre avec l'assemblage par brasure froide du microréfrigérateur thermoélectrique. 2. Circuit de transfert de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'assemblage par brasure chaude du microréfrigérateur thermoélectrique est relié à la zone d'amenée de chaleur de l'évaporateur à l'aide d'un conducteur thermique, par exemple d'un tube thermique (14, 15) ou d'une barre thermique en cuivre. 3. Circuit de transfert de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube thermique supplémentaire est fixé dans le canal d'alimentation à l'aide d'ailettes (16) formant un système de canaux longitudinaux parallèles. 4. Circuit de transfert de chaleur à deux phases à pompage capillaire, comportant, reliés par une conduite de vapeur et une conduite de condensat, des évaporateurs à l'intérieur desquels sont montées des pompes capillaires et, au moins, un condenseur ainsi qu'un réservoir relié par une conduite à la conduite de condensat, caractérisé en ce que chaque évaporateur (1, 2) est muni d'une structure capillaire supplémentaire (17, 18) et aussi d'un microréfrigérateur thermoélectrique, en ce que la structure capillaire supplémentaire relie les parois du canal d'alimentation de la pompe capillaire aux parois intérieures de la partie de la conduite de condensat qui est adjacente à l'évaporateur et le microréfrigérateur thermoélectrique est relié à l'extérieur aux parois de la conduite de condensat par l'assemblage par brasure froide et à la zone du conducteur thermique de l'évaporateur par l'assemblage par brasure chaude. 5. Circuit de transfert de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'assemblage par brasure chaude du microréfrigérateur thermoélectrique est relié à la zone du conducteur thermique de l'évaporateur & l'aide d'un conducteur thermique, par exemple, d'un tube thermique ou d'une barre thermique en cuivre (14, 15). 6. Circuit de transfert de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'à l'endroit où la structure capillaire supplémentaire est reliée à la conduite de condensat est monté un isolateur capillaire (21) réalisé à partir d'une structure poreuse dont la dimension des pores est inférieure à la dimension des pores de la structure capillaire supplémentaire.