Brevet FR2840394A1 — publié le 20031205

recipient (1). DISPOSITIF DE TRANSFERT DE CHALEUR POUR SATELLITE COMPRENANT UN EVAPORATEUR La presente invention concerne un dispositif de transfert de chaleur, adapte 3 1'evacuation de la puissance dissipee generee par des equipements embarques a bord d'un vehicule spatial et en particulier d'un satellite. Lors du fonctionnement en orbite d'un vehicule spatial, un certain nombre d'equipements electriques et electroniques embarques dissipent une quantite de chaleur, quantite indexee sur le rendement intrinseque de ces equipements et qui peut s'averer importante sur certains equipements de forte puissance. Afin de maintenir l'environnement thermique de ces equipements dans des plages de temperatures compatibles de leur fonctionnement et de leurs performances, il est necessaire de prevoir un dispositif de transfert de chaleur pour collecter, transporter puis evacuer cette chaleur vers l'espace. Un certain nombre de systemes vent connus actuellement pour effectuer ce transfert de chaleur. Ces systemes comprennent un dispositif de transport et de repartition de la chaleur ainsi qu'un dispositif de transfert de chaleur par rayonnement.Le principe du dispositif de transport de chaleur est fonde sur l'utilisation d'un fluide circulant entre la zone chaude ou la o puissance thermique est dissipee, et une zone plus froide ou cette puissance thermique absorbee par le fluide est evacuee vers le milieu exterieur par radiation par un ou plusieurs radiateurs fixes ou deployables. Le principe de fonctionnement des dispositifs repose done sur leur capacite de transport et d'echange ainsi que, pour les systemes diphasiques, sur les proprietes z d'evaporation/condensation du fluide (chaleur latente du fluide). Un premier type de dispositifs de transport de chaleur connu est le caloduc. Ce systeme comprend un tube metallique rigide (en aluminium par exemple) dans lequel circule un fluide caloporteur (en general de ['ammoniac), et utilise les proprietes de changement de phase liquidevapeur o ainsi que les proprietes de capillarite des liquides. Ainsi, un caloduc est un l systeme diphasique ferme dans lequel la vapeur creee au niveau de la zone chaude (cite zone d'evaporation) est aspiree vers une zone plus froide (ou la pression est moins elevee) et s'y condense sur la paroi metallique du tube. La phase liquide du fluide utilise glisse le long de la paroi metallique du tube en sens inverse de 1'ecoulement de la phase vapeur du fluide, qui reste confinee au centre du tube. Ce retour du fluide le long de la paroi est assure par une structure capillaire (meche ou rainures longitudinales) reliant les deux extremites du tube et qui joue a la fois le role de pompe capillaire et de separateur des deux phases liquide-vapeur. Jo Les dispositifs de transfert de chaleur a base de caloducs, vent frequemment utilises dans le domaine des satellites mais presentent neanmoins deux limitations majeures. En tout premier lieu, la rigidite mecanique des caloducs ne permet pas d'envisager leur utilisation pour du transport de chaleur vers des surfaces radiatives deployables en orbite (radiateurs deployables) qui necessite une reconfiguration dans 1'espace du chemin thermique. En second lieu, la limitation de leurs performances en termes de capacite de transport de chaleur (de l'ordre de quelques centaines de W.m) et de distance de transport necessite, pour les satellites de telecommunications de forte puissance, I'utilisation de dispositifs differents ou le transport de chaleur peut etre effectue sur des distances plus importantes, le long de chemin thermique plus complexe parfois tridimensionnel et reconfigurable en vol (deploiement de radiateurs) et ou la fonction de transport doit etre eventuellement assiste activement par du pompage mecanique. Ces dispositifs de transfert de chaleur vent des dispositifs a boucle fluide. Ces boucles peuvent etre monophasique pompee, diphasique a pompage capillaire ou diphasiquea pompage mecanique. Les dispositifs a boucle fluide vent constituees de trots parties: un evaporateur, un radiateur et des lignes fluidiques souples ou rigides. Les dispositifs a boucle fluide monophasique ont un principe de fonctionnement similaire a celui d'un chauffage central utilisant la chaleur sensible du fluide. Le fluide caloporteur (freonsTM, eau, ammoniac, etc...) absorbe la puissance dissipee par les equipements en augmentant sa temperature a proximite des sources chaudes et rejette cette puissance en se refroidissant dans un ou plusieurs radiateurs sans changer d'etat physique. La motricite du fluide est assuree par un systeme actif de pompage. Ce pompage mecanique effectue par une pompe alimentee electriq uement assu re le debit req u is de flu ide da ns la boucle. Les pom pes mecaniques, outre leur consommation energetique peuvent engendrer des micro-vibrations parfois peu compatibles des autres equipements et o instruments a bord du satellite. Par ailleurs, ces pompes peuvent presenter aussi une tenue en duree de vie contraignante pour la mission du satellite, tenue restreinte suite a l'usure prematuree de certaines pieces mecaniques internee a la pompe. Les boucles fluides diphasiques utilisent, comme les caloducs, en plus de ['elevation en temperature, la chaleur latente de vaporisation du fluide pour absorber et rejeter la chaleur. Le fluide caloporteur change ainsi d'etat lors de sa circulation dans la boucle. II se vaporise en absorbent la chaleur dissipee par les equipements au niveau de l'evaporateur, et se condense en rejetant cette chaleur dans un ou plusieurs condenseurs situes au niveau du radiateur. Le fluide est mis en circulation soit par capillarite passivement dans la boucle soit a ['aide d'une pompe mecanique localisee en amont de l'evaporateur. Les phases vapeur et liquide vent separees, hormis au niveau du condenseur et de l'evaporateur ou elles circulent dans le meme sees, contrai rement au ca loduc da ns lequel les deux phases circu lent en sens 2s inverse dans le meme tube. Ce type de dispositifs ne comporte une structure capillaire qu'au niveau de l'evaporateur. Afin d'augmenter la capacite de rejet par radiation vers l'espace de la chaleur des satellites de nouvelle generation de forte puissance, I'utilisation de radiateurs deployables s'avere necessaire pour augmenter les surfaces dissipatives disponibles sur le satellite. En effet, les surfaces du corps du satellite vent insuffisantes au vues des puissances a dissiper. Le principe du radiateur deployable est d'augmenter les surfaces radiatives disponibles sur le satellite en position deployee mais fait appel aussi a l'utilisation d'une boucle fluide, telle que presentee ci-dessus, afin d'amener la puissance a dissiper du reseau de caloducs supportant ies equipements dissipatifs jusqu'aux surfaces radiatives du radiateur deployable tout en permettant le deplolement du radiateur avant sa mise en operation. Pour les satellites de forte puissance necessitant la presence de radiateurs deployables, plusieurs architectures vent possibles pour la collecte Jo et le transport de la chaleur des equipements vers les radiateurs deployables. Soit la boucle fluide collecte la chaleur directement au pied des equipements et la transporte jusqu'aux surfaces radiatives des radiateurs, soit un reseau de caloducs se charge de collecter la chaleur au pied des equipements, la transporte vers des zones d'echange ou les boucles fluides la recupere pour I'acheminer jusqu'au radiateur. La premiere solution est bien adaptee aux boucles fluides monophasiques tandis que la seconde est adaptee a tous les types de boucles. Dans le cadre de la seconde solution, le reseau de caloducs comprend un premier reseau de caloducs, dit primaire, qui collecte et repartit zo la puissance 3 dissiper des equipements selon une direction privilegiee. Ces premiers caloducs vent soit integres au panneau qui les supportent, soit montes dessus. Un second reseau de caloducs, dits de couplage (ou traversants, dit de "crossing" en anglais), couplent entre eux les caloducs du reseau primaire selon une direction transverse. Ces premiers caloducs vent O soit integres au panneau qui les supportent, soit montes dessus. La boucle fluide va permettre de coupler thermiquement la surface radiative du radiateur deployable ou est installe le condenseur de la boucle fluide aux deux reseaux primaires et de couplage qui drainent la chaleur depuis les equipements. Comme explique ci-dessus, la boucle fluide comprend un so evaporateur permettant de capter la puissance a dissiper des reseaux de caloducs des panneaux du satellite, une ligne vapeur pour amener Ia puissance a dissipervers un condenseur et 'une ligne de retour liquidepour alimenter 3 nouveau 1'evaporateur. Un reservoir en amont de l'evaporateur permet le stockage du liquide non en circulation dans la boucle. Le condenseur est relic au radiateur dont les proprietes thermo-optiques vent adaptees pour assurer le rejet de la puissance vers le milieu exterieur. Les lignes vapeur et liquide peuvent etre flexibles pour permettre le deploiement du radiateur. L'efficacite du radiateur deployable (se capacite derejet) est o largement indexee au gradient thermique effectifs le long du chemin entre les equipements dissipatifs et la surface radiative. Au premier ordre, plus le gradient thermique est falble, plus le radiateur est efficace. Par ailleurs, plus le chemin thermique est court, plus le gradient est falble. En particulier, la temperature de fonctionnement de l'evaporateur est un element cle de I'efficacite de la boucle. Or, le transfert de chaleur s'effectuant principalement par conduction des equipements vers la surface radiative du radiateur hormis le transfert diphasique au sein des caloducs, toutes les zones et surfaces de contact et d'echange dolvent etre soigneusement minimisees en nombre, maximisees o en surface et optimisees en qualite de contact thermique. L'invention a done pour objet de proposer un dispositif de transfert de chaleur qui permette une utilisation optimale des radiateurs, notamment deployables, par l'accroissement de la capacite de rejet thermique du z satellite, et ['amelioration de ltefficacite du chemin thermique, cette derriere etant obtenue par ['augmentation de surfaces de contact aux nceuds de ce chemin thermique. A cet effet, I'invention a pour objet un dispositif de transfert de chaleur comprenant au moins un canal de transfert thermique situe a so proximite d'une source de dissipation de chaleur d'un satellite de maniere a collecter la chaleur que la source est capable de degager, le dispositif comportant en outre une boucle fluide comprenant un evaporateur, caracterise en ce que l'evaporateur est conforme de maniere a presenter, sur une partie de son parcours, une surface maximale de ses parois externes en contact avec celles du ou des canaux de transfert thermique. Ainsi, I'invention apporte un modele d'evaporateur, un processus d'a menagement et d'i nteg ration de l'evaporateu r de la boucle flu ide du radiateur deployable ainsi qu'une architecture satellite offrant a l'evaporateur une importante surface de contact, que ce soit avec un ou des caloducs Jo primaires ou un ou des caloducs du reseau de couplage. Selon un mode de realisation de ['invention, I'axe principal de l'evaporateur etant dispose parailelement aux axes principaux des deux canaux de transfert thermique aupres desquels il est agence, chacune des faces de l'evaporateur en regard des canaux respectifs est couplee a la face en regard du canal, ce couplage etant realisee par contact superficial sur les ailettes des canaux et de l'evaporateur. Selon un mode de realisation de ['invention, les deux canaux de transfert thermique vent des caloducs de couplage et en ce que la base de I'evaporateur constituent la troisieme face est couplee par contact superficael a au moins un caloduc principal. Selon un mode de realisation de ['invention, I'evaporateur est de section de forme a angles droits c'est a dire de section carree ou rectangulaire Selon un mode de realisation de ['invention, I'evaporateur est evidee de ses faces ne presentant pas de contact avec les canaux de transfert thermique. D'autres caracteristiques et avantages de la presente invention appara^'tront a la lecture de la description suivante des modes de realisation de ['invention, donnes a titre illustratif et nullement limitatif. Dans les figures suivantes: - la figure 1 represente un schema de principe d'une boucle fluide diphasique a pompage capillaire, - la figure 2 represente schematiquement un satellite rnuni de radiateurs deployables, la figure 3 represente schematiquement un reseau de caloducs sur lequel Jo vent amenages des equipements electroniques montes sur la surface interne d'un panneau de satellite, - la figure 4 represente une vue schematique, en coupe, d'une structure de satellite comportant un dispositif selon un mode de realisation de ['invention, 1 - les figure 5a, 5c et 5e representent schematiquement des vues en perspective de differents modes de realisation de dispositifs selon ['invention, alors que la figure 5b, 5d et 5f representent respectivement une vue en coupe de la figure 5a, 5c et 5e,1es figures 6a a 6c illustrent des conformations differentes de l'evaporateur selon ['invention. Da ns toutes ces fig ures, les elements rem pl issant les memes fonctions portent les memes numeros de reference. On va maintenant expliquer le principe de la boucle fluide diphasique a pompage capillaire en relation avec la figure 1. On volt en figure 1 une boucle fluide diphasique a pompage capillaire comprenant au mods un evaporateur 11, au moins un condenseur 12 et un reservoir 13. En trait mixte et de maniere schematique vent representes egalement la source de chaleur 14, c'est-a-dire les equipements (non representes) dissipateurs de chaleur embarques a bord d'un satellite, au so voisinage de laquelle se trouve ltevaporateur 11, et la zone d'evacuation de la chaleur 15 situee au niveau d'un panneau de radiateur deployable (non represente) du satellite, et au voisinage de laquelle se trouve le condenseur 12. Le reservoir 13 de fluide caloporteur 16, par exemple de ['ammoniac, alimente la boucle 10 en fluide au moyen d'une conduite 17. Le fluide 16, a ltetat liquide symbolise par des hachures sur la figure 1, penetre dans l'evaporateur 11 ou il est vaporise. La vapeur ainsi generee (symbolisee par des points sur la figure 1) se deplace vers le condenseur 12 par une ligne de transport 18. Jo La vapeur est alors condensee en liquide au sein du condenseur 12 et revient vers l'evaporateur via une ligne de transport 19. L'evaporateur 11 a une structure interne capillaire 11a. Il comporte sur sa surface interne des rainures longitudinales sur toute la circonference s'etendant d'un bout a l'autre de sa longueur. Ainsi, le liquide arrivant dans s l'evaporateur 11 traverse la meche capillaire vers la paroi de l'evaporateur, ou se trouve la puissance a dissiper. Il se vaporise alors sur la surface de la structure capillaire, ou se forment des menisques initiateurs de force capillaire. L'augmentation de pression capillaire dans la meche est proportionnelle a la tension superficielle du fluide 16 et inversement zo proportionnelle au rayon equivalent des menisques. A sa sortie de la meche capillaire de l'evaporateur Il. la vapeur est done collectee dans l'enveloppe externe de l'evaporateur 1l, en interface directe avec la source de chaleur 14. Du fait de la pression capillaire de pompage dans la boucle 10, cette vapeur est ensuite dirigee dans la ligne de z vapeur et s'ecoule jusqu'au condenseur 12. Le reservoir pressuriseur 13 sert notamment a reguler la temperature de fonctionnement de la boucle 10 ainsi que pour l'amorSage de la boucle 10. Les lignes de transport 18 et 19 vent de simples tubes induisant de so faibles pertes de pression et vent legeres; elles peuvent etre pliees facilement de par leur flexibilite intrinseque. Wiles ont un diametre interieur compris entre 4 et 10 mm. Le radiateur deployable, quant a lui, comprend un ou plusieurs panneaux relies mecaniquement entre eux par des moyens non representes. Ces panneaux vent initialement (avant le lancement du satellite sur son orbite) replies les uns sur les autres et le long du corps du satellite. Apres le lancement du satellite et sa mise en orbite, ces panneaux vent deployes de maniere a constituer une grande surface d'evacuation de la chaleur, maximisant ainsi leur capacite de rejet, et vent disposes de maniere a presenter un facteur de vue minimum aux rayons incidents du soleil afin de minimiser les flux thermiques entrants qui deteriore la performance du radiateur. Pour ce type de satellites, la surface radiative necessaire totale d'evacuation de la chaleur est tres importante, typiquement de l'ordre de 60 m2. Les radiateurs deployables vent disposes par exemple dans le prolongement des panneaux fixes du satellite parallele au plan de l'orbite. Pour illustrer une position typique des radiateurs deployables dans un satellite, on a represente schematiquement en figure 2 un satellite 50 muni de quatre radiateurs deployables 51 (trots seulement vent visibles en o figure 2). Ces radiateurs deployables vent mono-panneaux pour simplifier ['illustration, mais ils peuvent etre remplaces par des radiateurs multi-panneaux. La figure 3 represente un reseau de caloducs sur un panneau 20 d'un module de communication, reseau sur lequel est installe un certain 2s nombre d'equipements dissipatifs dont la presence est materialisee sur la vue par leur empreinte 21 sur les caloducs. Parmi ces equipements, des Amplificateurs a Tubes a Ondes Progressives dits ATOP (ou TWTA pour "Travelling Wave Tube Amplifier', en anglais) vent communement integres, ces derniers ayant pour role ['amplification hyperfrequence de signaux avant o qu'ils ne soient rediffuses vers la terre. Ces tubes vent respectivement portes par un ou des caloducs 22 de transport et de repartition de la chaleur degagee par le tube. Ces caloducs 22 appartiennent a un reseau principal de caloducs, vent integres ou supportes par le panneau de structure du module 20 et vent tous paralleles selon une premiere direction privilegiee. Un couple de caloducs 23 de couplage croise i'ensemble des caloducs 22 selon une direction transverse. Ce couple de caloducs comporte deux caloducs de couplage 220 et 221 entre lesquels se trouve agence un evaporateur 223. La figure 4 represente une vue en coupe du module 20. Les lignes de o transport thermique 18 et 19 relient l'evaporateur 223 agence au plus pres de la source de chaleur qu'est l'equipement dissipatif a la zone d'evacuation de la chaleur situee au niveau d'un panneau de radiateur deployable du satellite, et au voisinage de laquelle se trouve un condenseur 12 lui-meme forme de deux circuits condenseurs 12 et 122 montes en parallele. Les figures 5a, 5b et 5c representent schematiquement des vues en perspective de modes de realisation d'un dispositif selon ['invention alors que les figures 5b, 5d et 5e representent des vues en coupe des figures 5a, 5b et c respectivement. Dans la figure 5a est represente schematiquement trots amplificateurs ATOP 2t, a collecteur rayonnant, montes chacun sur deux caloducs du reseau primaire. Ces caloducs croisent des caloducs de couplage 220, 221. Comme illustre, entre ces caloducs de couplage est intercale I'evaporateur 223. Cet agencement judicieux permet de profiler d'une surface de contact 25 optimale pour le transfert de chaleur vers le condenseur 12. Selon ce mode de realisation, I'evaporateur est done a trots faces de contact utiles. Dans la figure 5c est represente schematiquement trots amplificateurs ATOP 2l, a collecteur conductif, montes parallelement au reseau de caloducs primaires ainsi que d'autres equipements dissipatifs tels que des amplificateurs a etat solide 26 ("Solid State Power Amplifier" ou so SSPA en anglais) et des filtres 27. Dans la figure 5e est represente schematiquement trots amplificateurs ATOP 2l, a collecteur conductif, montes perpendiculairement au reseau de caloducs primaires. On comprend que ['invention tire son profit des surfaces de contact utiles pour la recuperation de la chaleur transmise par l'equipement. En partant de cette constatation, les equipes de recherche de la Demanderesse ont elabore differentes formes et configurations pour conformer l'evaporateur en recherchant non seulement l'optimisation voulue en termes de captation de chaleur mais egalement en termes de poids et autres facteurs critiques. Jo Ainsi, alors que la figure 6c reprend la forme de 1'evaporateur des figures 4 et 5, la figure 6a illustre un evaporateur dont la face superieure non utile car n'etant en contact ni avec un caloduc ni avec une autre source de chaleur, a ete extrudee, a savoir evidee de sa matiere. L'evaporateur de la fig u re 6b reprend le meme pri nci pe d'evidement ma is appliq uee a deux faces de l'evaporateur (une face superieure et une face laterale). En effet, autant les parois des faces de l'evaporateur en contact avec les parois des caloducs doivent etre maximisees, autant les faces ne faisant pas ['objet d'echange dolvent etre minimisees, ceci apportant un effet supplementaire de reduction de poids. La presente invention n'est pas limitee aux modes de realisation qui viennent d'etre decrits. Ainsi, elle n'est pas limitee aux equipements tels qu'evoques ci-dessus. Les amplificateurs ATOP peuvent egalement etre a collecteur conductif montes longitudinalement au reseau de caloducs s primaires ou montes transversalement au reseau de caloducs primaires. Les equipements peuvent etre aussi des convertisseurs de puissance, des alimentations, des amplificateurs de puissance falble bruit, des preamplificateurs, des amplificateurs a etat solide, des filtres, des equipements dediees a la plate forme du satellite ou tout autre equipement so dissipatif a bord de vehiculess spatiaux. En outre, comme il a ete explique ci-dessus, le couplage par contact superficial entre chacune des parois des faces utiles de l'evaporateur avec les parois respectives des caloducs en regard, est realise sur l'integralite de la plus petite des deux surfaces en regard. Dans les modes de realisation decrits, les parois de l'evaporateur vent plus grandes que celles des caloducs. Ceci n'empeche pas que la situation inverse n'apparaisse De meme, on pourra imaginer tout type de configuration d'evidemment autre que ceux des figures 6a et 6b. Enfin, on pourra remplacer tout moyen par un moyen equivalent sans sortir du cadre de ['invention. f REVENDICATIONS t. Dispositif de transfert de chaleur comprenant au moins un canal (22, 220,221) de transfert thermique situe a proximite d'une source (21) de dissipation de chaleur d'un satellite de maniere a collecter la chaleur que la source est capable de degager, le dispositif comportant en outre une boucle fluide (10) comprenant un evaporateur (223), caracterise en ce que l'evaporateur est conforme de maniere a presenter, sur une partie de son parcours, une surface (25) maximale de ses parois externes en contact avec celles du ou des canaux de transfert thermique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que ltevaporateur etant dispose parallele a deux canaux (220,221) de transfert thermique entre lesquels il est agence, chacune des faces de l'evaporateur en regard des canaux respectifs est thermiquement couplee a la face en regard du canal, ce couplage etant realisee par contact superficial des ailettes des canaux et de l'evaporateur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caracterise en ce que les deux canaux de transfert thermique vent des caloducs de couplage et en ce que la base de l'evaporateur constituent la troisieme face est couplee zo par contact superficial a au moins un caloduc principal (22) en contact direct avec la source (21). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 a 3, caracterise en ce que l'evaporateur est de section de forme a angles droits c'est a dire de section carree ou rectangulaire. z 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 a 4, caracterise en ce que l'evaporateur est evidee de sa matiere sur ses faces ne presentant pas