Brevet FR2783312A1 — publié le 20000317

Cette invention concerne un dispositif de transfert de chaleur. Il émane du besoin pour les satellites en orbite autour de la terre de transférer de l'énergie thermique d'un côté chaud, radiateur face au soleil, vers un côté froid, radiateur à l'ombre. Ceci peut être effectué avec l'utilisation d'une boucle fluide à pompage capillaire constituée d'un ou de plusieurs évaporateurs, côté chaud, et un, ou plusieurs condenseur(s) côté froid, reliés entre eux par des conduits comme le décrit la Figure 1 du brevet français FR2723187. Il faut noter qu'un tel dispositif doit être conçu de façon à fonctionner dans un environnement sans gravité. L'évolution du satellite sur son orbite conduit à une exposition solaire de chacune de ses faces variable en fonction du temps (position relative par rapport au soleil dépend de la saison). Il est donc nécessaire dupliquer les systèmes de transfert de chaleur pour qu'ils puissent fonctionner dans des directions opposées. Cependant, une telle duplication a pour conséquence de dupliquer la masse et par voie de conséquence de réduire d'autant la masse maximale de la charge charge utile que le satellite peut emporter. Un autre problème lié à l'utilisation de deux boucles fluides séparées concerne la duplication des interfaces thermiques nécessaires pour la collecte et la dissipation de la chaleur ce qui, compte tenu de la faible place disponible à bord d'un satellite, rend ce concept peu attractif. L'utilisation de deux boucles fluides impose également l'utilisation d'une quantité de fluide caloporteur deux fois plus importante, ce qui compte tenu du caractère corrosif et toxique du liquide généralement employé (ammoniac), représente un risque supplémentaire en cas de fuite sur le satellite ainsi que pendant les opérations de fabrication, manutention et essais. Le brevet français Réf.2723187 décrit une technique pour éviter le besoin de duplication d'un tel dispositif. Il décrit sur les figures 2 à 6, une boucle fluide capillaire réversible. En utilisant une simple boucle, la chaleur est automatiquement transportée, quelque soit la direction, du côté chaud vers le côté froid. Quoi qu'il en soit, bien que le fonctionnement désiré est obtenu en utilisant une seule boucle, le nombre, et par conséquent la masse des composants d'une telle boucle, ne sont pas très inférieurs à ceux d'un système constitué de deux simples boucles inversées. Ceci vient du fait qu'un tel système doit comporter un évaporateur et un condenseur du côté chaud, ainsi que du côté froid. Dans ce cas, l'évaporateur situé du côté momentanément froid est inutile, tel que le condenseur du côté momentanément chaud. Le brevet français 2723187 envisage la possibilité de ses évaporateurs fonctionnant également comme condenseurs. Quoi qu'il en soit, les évaporateurs sont conçus de façon à conduire la chaleur aussi efficacement que possible dans un liquide contenu dans un corps de matière absorbante, créant ainsi l'action du pompage capillaire, et la vapeur qui en résulte est transportée le long des conduits. Quand les évaporateurs doivent fonctionner pour la condensation, les besoins de transfert de chaleur sont différents. Pour la condensation, le besoin est d'optimiser le transfert de chaleur du gaz contenu dans les conduits à la matière formant les parois des conduits. Donc, pour l'évaporation, le besoin est d'optimiser le transfert de chaleur de l'autre côté d'un interface lorsque, pour la condensation, le besoin est d'optimiser le transfert de chaleur de l'autre côté d'un autre interface. C'est en s'interrogeant sur le fonctionnement d'un évaporateur, à savoir comment ce dernier pourrait être utilisé plus efficacement pour la condensation que ce qui a été possible auparavant, que cette invention apparut. D'après l'invention, on obtient un dispositif de transfert de chaleur, constitué d' un corps absorbant pour le transfert d'un fluide caloporteur sous forme liquide par action capillaire, un corps conducteur de chaleur adjacent au corps absorbant et, au moins un conduit dans le corps conducteur de chaleur ayant un côté ouvert exposé à la surface de la matière absorbante pour le transfert du fluide de ou vers le corps absorbant, caractérisé par le fait que le conduit a une surface concave courbée. La surface concave courbée s'assure que le fluide est condensé comme un fmin film sur la surface du conduit, avant de s'écouler aussi vite que possible dans la matière capillaire absorbante. Ce fin film fournit une résistance minimale à un flux supplémentaire de chaleur de vapeur dans les parois du conduit et l'effet est tel que la surface maximum de la matière dans laquelle le conduit est formé, est en contact thermique efficace avec la vapeur. On a trouvé que de cette façon une amélioration considérable de l'éfficacité peut être obtenue, comparé à des propositions précédentes o les conduits définissent des coins o un ménisque de liquide s'accumule bloquant alors, jusqu'à une importance significative, la conduite supplémentaire de chaleur de vapeur dans le conduit. De préférence, la forme des conduits est telle qu'elle peut être produite par expulsion ou par électro-érosion. Bien que l'invention apparut en relation à une boucle fluide réversible à pompage capillaire o un évaporateur est également utilisé comme condenseur, il faudra se rendre compte que l'invention est applicable à des condenseurs pour utilisation dans des boucles fluides à pompage capillaire, ou de fait dans n'importe quel autre environnement. Une description concrète de cette invention va maintenant être faite au moyen d'exemples qui font référence aux dessins joints: Figure 1 montre une boucle fluide réversible à pompage capillaire constituée de deux échangeurs, chacun construit selon les principes de cette invention et conçue pour être installée à différentes places dans un satellite de telle manière à assurer le transfert de chaleur du côté le plus chaud vers le côté le plus froid. Figure 2 est une coupe suivant la ligne II-II de Figure 1; et Figure 3 est une vue détaillée, à plus grande échelle, de deux des canaux portant la référence sur la Figure 2. Pour simplifier les explications, les éléments situés du côté gauche de la ligne X de la Figure 3 sont considérés comme assurant la fonction d'évaporateur alors que les éléments du côté droit sont considérés comme assurant la fonction de condenseur. Il faut comprendre qu'en pratique, tous les canaux peuvent servir à n'importe quel moment pour l'évaporation ou pour la condensation. L'équipement de transfert thermique illustré comprend des échangeurs 1 localisés aux premières et secondes positions 2 et 3, pour simplifier la chose, un seul échangeur 1 est montré à chaque position, mais en réalité, il y a une banque d'échangeurs 1 connectés en parallèle à chaque position de la Figure 1. Chaque échangeur 1 est identique, donc un seul sera décrit. f est constitué d'un corps 4 métallique dont la nuance choisie pour sa conductivité thermique. Il a en général une forme cylindrique avec une première extrêmité portant un orifice 5 et une seconde extrémité portant un orifice 6 usiné dans un flasque fileté 7. L'enveloppe tubulaire 4 comporte une partie 8 de faible diamètre et porte une semelle 9 servant de support mécanique qui permet également de transférer la chaleur de ou vers ou partie ou un équipement du satellite. La surface interne du tube 8 est recouverte d'un grand nombre de rainures 10 conmmne le montre la Figure 2. Ces rainures sont parallèles à l'axe du corps 4. La configuration des rainures est mieux illustrée sur la Figure 3. Elles sont conçues pour pouvoir être obtenues soit par extrusion, soit par électro-érosion. Chaque rainure possède un côté ouvert 11 dont la largeur est légèrement inférieure à la moitié de la largeur des dents 12 situées entre deux rainures. Deux plans divergents 13 issus du côté ouvert 11 viennent tangenter au point P le fond circulaire 14 de la rainure. De cette façon les surfaces 13 et 14 se rejoignent sans former aucun angle vif. En référence à la Figure 1, un alésage interne est usiné dans le corps 4 de telle manière à former des épaulements 15, 16 et 17. L'épaulement 17 forme un angle aigu avec l'axe du corps 4 et est aligné avec l'épaulement correspondant 17A de la surface extérieure du corps 4. Les épaulements 17, 17A séparenet la partie cylindrique 8, de faible diamètre, située à l'une des extrêmités du corps 4 de la partie 18, de plus grand diamètre, située du côté opposé. Cette partie 18, plus large, sert de réservoir pour le fluide caloporteur. Son volume est plus grand que celui de la partie voisine 8 du corps 4, et le volume total de tous les réservoirs de la boucle (deux réservoirs dans l'exemple illustré) atteint plus de la moitié du volume de fluide contenu dans la boucle. Le corps 4 contient un dispositif capillaire constitué de deux parties tubulaires distinctes 19, de polyéthylène poreux. Les autres matériaux qui peuvent convenir sont les métaux frittés tels que par exemple: le cuivre, les toiles en acier inox, le molybdène, le tungstène, le titane ou le nickel; ainsi que les céramiques frittées et d'une manière générale toutes les structures à porosité ouverte, les mousses et les thermo-plastiques (polymères) qui peuvent être chargés de verre. Le corps 19, auquel on se réferera en tant que "mèche", définit des canaux capillaires relativement fins de façon à créer une forte action de pompage capillaire. Cette mèche 19 a un épaulement 21 sur sa surface externe qui vient en contact avec l'épaulement 15 de la surface interne du corps 4 de telle manière à la positionner co-axialement. L'alésage interne de la mèche 19 est évasé à son extrémité ouverte pour recevoir férule conique 22. Un bouchon fileté 23 est vissé dans une partie taraudée du corps 4 situé entre les épaulements 16 et 17 de telle manière à exercer une pression axiale sur la ferrule 22, afin d'assurer une étanchéité en pressant la mèche poreuse 19 contre la paroi interne du corps 4. Le corps capillaire 20 est fabriqué de matière poreuse qui a une structure poreuse plus grossière. Il possède une partie relativement étroite 24 en contact avec l'alésage interne de la pièce 19 et s'étend d'une extrêmité ouverte jusqu'à l'épaulement 26 qui est localisée contre l'épaulement 17 du corps 4. L'épaulement 26 mène à une partie large 25 du corps 20 qui est localisé contre la paroi interne de la partie large. Le corps 20 est maintenu en position axiale par le bouchon 7. Le bouchon 7 supporte également la conduite 27 qui s'étend le long de l'axe du corps 4 en reliant l'orifice 6 à un point proche de l'extrêmité ouverte du corps poreux 20. Son diamètre extérieur est significativement inférieur à celui du diamètre intérieur de la partie étroite du corps 20 de telle manière à ménager un passage entre ces deux pièces pour la circulationdu fluide. Il est maintenu sa position axiale grâce à sa forme tortillée lui permettant de le mettre en contact avec la surface interne du corps 20. Le fonctionnement du dispositif va maintenant être décrit en faisant l'hypothèse que la condition de démarrage est que tout est à la même température. La quantité de fluide caloporteur, qui est de l'ammoniaque dans le système présenté, est suffisante pour garantir que sur une large plage de températures, il y a toujours assez de liquide dans le réservoir 18 pour saturer la mèche poreuse 19 et le drain capillaire20. Supposons que l'échangeur localisé en position 2 devienne plus chaud que celui en position 3. La chaleur est transmise de la source chaude, à travers la semelle 9, aux dents 12 en forme d'ailettes entre les rainures 10, et ensuite au liquide contenu dans les pores de la mèche capillaire 19. Ceci provoque l'évaporation du liquide sous les ailettes dans la région 28 prés de la surface de la mèche 19, comme le montre la zone au dessus de la ligne 28A à gauche de la Figure 3. Il faut noter que sur les figures, les zones occupées par le liquide sont représentrées par des lignes horizontales. La vapeur est collectée, comme indiqué par les flèches sur la Figure 3, par les canaux 10 et transmise ensuite par ces mêmes canaux longitudinaux à l'orifice 5. Le pompage capillaire amène le complément de liquide dans la mèche capillaire 19, ce liquide arrive en partie par le corps capillaire 20 alimenté par le réservoir 18 et en partie directement par le tube 27. Parce que la quantité de liquide dans le réservoir est constamment suffisante pour saturer les éléments poreux, les éventuelles bulles de vapeur se trouvant dans la partie étroite 24 du corps 20 ne peuvent pas y être absorbées. De telles bulles vont être évacuées vers le réservoir plus froid o elles vont se condenser. Le corps 20 joue ainsi le rôle d'un simple caloduc entre le corps relativement chaud 4 et le réservoir plus froid 18. Il maintient un débit de liquide dans la fine mèche poreuse 19 et favorise l'extraction des bulles de vapeur acheminées vers le réservoir. La température du réservoir 18 situé du côté chaud, détermine la température de saturation du fluide caloporteur, et doit donc être controllée. Dans le dispositif illustré, la température est autocontrollée l'équilibre thermique obtenu entre les flux parasites transférés: dans le corps 4; par les bulles de vapeur repoussées vers le réservoir; par le liquide sous-froidi en provenance du condenseur; et par les fuites thermiques résultant des échanges avec l'environnement externe. Dans certaines applications un système de control de température actif peut être utilisé. Dans ce cas il s'agit de cellules à effet Peltier, de réchauffeurs, de surfaces radiatives dédiées, etc. Les matériaux et la conception de ce dispositif doivent donc permettre de limiter les échanges thermiques parasites. La vapeur sortant de l'orifice 5 est transportée par l'intermédiaire d'un tube à l'orifice homologue de l'échangeur localisé en position 3 d'o elle entre dans les rainures 10. Au début de chaque rainure, le fluide est entièrement vaporisé mais se condense progressivement le long des rainures pour finir entièrement liquide à l'autre extrêmité. La situation prés de l'entrée vapeur est illustrée à droit de la Figure 3, o l'on peut observer la formation d'un film de condensation très fin noté C sur toute la surface de la rainure libérant ainsi au cours du changement de phase une grande quantité d'énergie thermique qui est transmise par conduction au corps 8. L'uniformité de ce film représente un avantage considérable par rapport aux concepts d'évaporateurs à rainures rectangulaires ou en queue-d'aronde dont les angles sont des points d'accumulation de liquide. Dans ces concepts, l'accumulation de liquide dans les angles réduit la taille de la surface par laquelle l'énergie thermique passe du liquide à la paroi et augmente l'épaisseur du film liquide qui agit alors comme un isolant limitant les échanges entre la vapeur et le corps 4, ce qui nuit au transfert de chaleur. Dans le concept présenté, les seuls coins susceptibles d'attirer le liquide sont ceux, montrés en C, formés entre la partie métallique 8 et la mèche capillaire 19, de cette manière, la surface métallique en contact thermique avec la vapeur est aussi grande que possible et le fluide après condensation en est évacué le plus rapidement possible. Le liquide pénètre alors dans la mèche qui est entièrement saturée compte tenu de. sa température, de même la partie 8 du corps est également plus froide que la température de saturation du fluide. Il n'est, par conséquent pas possible qu'un effet de pompage capillaire puisse se développer dans le éléments 19 ou 20 qui restent totalement passifs lorsque l'échangeur fonctionne en mode condenseur. Le condenseur est donc d'un point de vue hydraulique totalement passif, le liquide y circule uniquement sous l'effet des forces capillaires qui se sont développées dans l'évaporateur. Le liquide condensé est drainé vers le réservoir ou passe directement dans le tube 27 o il est extrait par l'orifice 6 de l'échangeur localisé en 2. Le faible diamètre du tube 27 fait en sorte que le liquide traverse le réservoir, relativement chaud, avec une vitesse relativement élevée ce qui évite qu'il puisse s'y évaporer. Le risque de voir entrer des bulles dans les éléments poreux de l'évaporateur est ainsi considérablement réduit. Lorsque le gradient de température entre les échangeurs 1 s'inverse, leur rôle s'inverse automatiquement, l'élément 20 assure rapidement la saturation de la microstructure capillaire 19. Revendications: 1. Un dispositif de transfert de chaleur comprenant un corps absorbant (19) pour le transfert d'un fluide caloporteur sous forme liquide pression de pompage, un corps conducteur thermique (4) adjacent au corps absorbant et au moins un canal (10) dans le corps conducteur thermique ayant une extrémité ouverte (11) exposée à la surface de la matière absorbante pour le transfert du fluide de ou vers le corps absorbant, caractérisé par le fait que le canal a une surface concave courbée (14). 2. Appareil en accord avec la revendication 1 dans lequel le canal a des parois de côtés opposés (13) qui fusionnent, sans créer d'angle vif, dans une surface de fonds (14). 3. Appareil en accord avec la revendication 2 dans lequel la surface de fonds (14) crée une courbe continue.