Brevet FR3124585A1 — publié le 20221230

L’invention concerne un dispositif de contrôle passif (10) de distribution du débit d’un fluide dans une boucle fluide diphasique à pompage mécanique, la boucle comprenant : un circuit fermé (11) dans lequel circule un fluide caloporteur ; un évaporateur (12) à travers lequel le fluide circule depuis une entrée (13) de l’évaporateur (12) sous forme liquide (20-liq) vers une sortie (14) de l’évaporateur (12), l’évaporateur (12) étant configuré pour transformer le fluide sous forme liquide (20-liq) en fluide sous forme partiellement gazeuse (20-g) ; au moins deux condenseurs (15) montés en parallèle, chacun comprenant une entrée (16) et une sortie (17) reliée à l’entrée (16) par un canal de passage (35), à travers lequel le fluide sous forme partiellement gazeuse (20-g) circule pour être transformé en fluide sous forme liquide (20-liq); un dispositif de circulation du fluide (18), disposé entre la sortie (17) du condenseur (15) et l’entrée (13) de l’évaporateur (12), destiné à mettre en mouvement le fluide dans le circuit fermé (11) ; le dispositif de contrôle (10) étant caractérisé en ce que le canal de passage (35) du condenseur (15) s’étend sur une première longueur (31) et en ce qu’il comprend une voie d’écoulement (32) du fluide sous forme partiellement gazeuse (20-g) de longueur supérieure à la première longueur (31). Figure pour l’abrégé: Fig.1 Dispositif et procédé de contrôle passif du débit d’un fluide dans une boucle fluide diphasique à pompage mécanique La présente invention se situe dans le domaine du contrôle thermique d’ensembles d’équipements dissipatifs. L’invention se rapporte à un dispositif et procédé de contrôle passif du débit d’un fluide dans une boucle fluide diphasique à pompage mécanique. Cette boucle fluide à pompage mécanique assure la circulation du fluide soit par le biais d’un dispositif de circulation du fluide qui peut être une pompe ou un compresseur. L’invention est décrite dans le domaine d’engin spatial de type satellite mais elle s’applique à n’importe quel système de boucle fluide diphasique à pompage mécanique. Par souci de synthèse, uniquement l’application de boucle fluide utilisant une pompe pour la mise en circulation du fluide est décrite, mais elle s’applique similairement au cas avec un compresseur. Traditionnellement, une boucle fluide diphasique à pompage mécanique comprend un circuit fermé dans lequel circule un fluide caloporteur, un évaporateur, à travers lequel le fluide circule sous forme liquide en entrée de l’évaporateur, l’évaporateur étant configuré pour transformer le fluide sous forme liquide en fluide sous forme partiellement gazeuse (totalement gazeuse dans le cas d’une mise en circulation par un compresseur), un condenseur, à travers lequel le fluide sous forme partiellement gazeuse circule en entrée du condenseur, le condenseur étant configuré pour transformer la phase gazeuse du fluide en fluide sous forme liquide, une pompe, disposée entre la sortie du condenseur et l’entrée de l’évaporateur, destinée à mettre en mouvement le fluide dans le circuit fermé depuis l’évaporateur vers le condenseur sous forme partiellement gazeuse et depuis le condenseur vers l’évaporateur sous forme liquide, un réservoir de fluide relié au circuit fermé, destiné à compenser les variations de volume de fluide dans le circuit fermé. La boucle fluide diphasique intéresse thermo-hydrauliquement au niveau des condenseurs plusieurs radiateurs du satellite (c’est-à-dire les faces externes du satellite dont les environnements radiatifs ne sont pas symétriques. Pour un satellite de télécommunication géostationnaire, il s’agit des faces traditionnellement appelées Est/Ouest ou Nord/Sud/Est/Ouest) pour la réjection de puissances dissipées aux niveaux des équipements du satellite. Dans l’exemple précis d’un satellite de télécommunication géostationnaire, les faces Est et Ouest du satellite sont soumises à de très importantes variations journalières de flux thermiques externes du fait de l’exposition au soleil. Pour maximiser la réjection de puissance, il faut donc ajuster l’écoulement en fonction de l’environnement externe de chaque mur. Les surfaces Est/Ouest du satellite étaient historiquement non utilisées pour la réjection de chaleur à cause du problème de variations journalières d’exposition au soleil. Cependant, certaines boucles fluide à pompage capillaire (plus connu sous l’abréviation LHP, pour Loop Heat Pipe) ont pu utiliser les murs Est/Ouest moyennant : - Soit plusieurs caloducs/LHP installés en récupération de la dissipation des équipements et alternativement un groupe de LHP fonctionne (celles à l’ombre) puis l’autre groupe de LHP. Cela implique un grand nombre de HP/LHP et une complexité élevée d’intégration de l’ensemble ; - Soit les LHP incluaient une ou plusieurs vannes trois voies permettant de diriger l’écoulement vers le mur à l’ombre. La vanne implique une régulation active et des mouvements mécaniques ; - Soit un composant de type poreux, à la réunion du mur Est et Ouest, bloquant la vapeur (venant du mur chaud) et laissant passer l’écoulement monophasique (venant du mur froid). Le défaut de cette solution est qu’il n’y a pas une régulation à proprement parlé mais un simple blocage de la vapeur. Dans une configuration où le mur est partiellement ensoleillé et contribue à condenser toute la vapeur, le débit est similaire dans chaque branche alors que la réjection pourrait être améliorée en augmentant le débit du mur complètement à l’ombre. Les solutions actuelles ne permettent pas d’ajuster de façon dynamique et passive le débit de fluide transportant la dissipation thermique des équipements en fonction de l’environnement de chaque mur du satellite. Afin de rejeter la puissance récupérée au niveau des équipements dissipatifs, la boucle fluide doit s’interfacer avec les murs/radiateurs de l’engin spatial. Pour maximiser la surface radiative efficace de l’engin spatial, les murs Est/Ouest de l’engin sont utilisés et intéressés thermo-hydrauliquement par la boucle fluide diphasique. Afin de maximiser la réjection de ces murs, un système permettant d’ajuster le débit à l’environnement externe des murs doit être mis en place. Si aucun système de régulation est mis en place, le débit intéressant chaque mur est similaire et désoptimise significativement le sous-système. L’invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant un contrôle passif du débit d’une boucle fluide diphasique à pompage mécanique, notamment pour une application spatiale permettant de coupler plusieurs radiateurs autour de la structure porteuse (caisse de satellite) et d’optimiser passivement le besoin en débit (et donc la réjection) au moindre écart d’environnement entre les murs. En outre, l’invention permet d’optimiser le coefficient d’échange diphasique et monophasique en maximisant la vitesse d’écoulement pour un débit donné. L’invention permet un couplage passif des différents murs du satellite via la boucle diphasique : le design du condenseur génère une résistance hydraulique variable selon la capacité du mur en question à rejeter la chaleur. De plus, les coefficients d’échange diphasique et monophasique sont maximisés avec le design proposé. A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif de contrôle passif de distribution du débit d’un fluide dans une boucle fluide diphasique à pompage mécanique, la boucle fluide diphasique à pompage mécanique comprenant : un circuit fermé dans lequel circule un fluide caloporteur; un évaporateur comprenant une entrée et une sortie, à travers lequel le fluide circule depuis l’entrée de l’évaporateur sous forme liquide vers la sortie de l’évaporateur, l’évaporateur étant configuré pour transformer le fluide sous forme liquide en fluide sous forme partiellement gazeuse ; au moins deux condenseurs montés en parallèle, chacun comprenant une entrée et une sortie reliée à l’entrée par un canal de passage, à travers lequel le fluide sous forme partiellement gazeuse circule depuis l’entrée du condenseur vers la sortie du condenseur, le condenseur étant configuré pour transformer le fluide sous forme partiellement gazeuse en fluide sous forme liquide ; un dispositif de circulation du fluide, disposé entre la sortie du condenseur et l’entrée de l’évaporateur, destiné à mettre en mouvement le fluide dans le circuit fermé depuis l’évaporateur vers le condenseur sous forme partiellement gazeuse (20-g) et depuis le condenseur vers l’évaporateur sous forme liquide ; un réservoir de fluide relié au circuit fermé, destiné à compenser les variations de volume de fluide dans le circuit fermé ; le dispositif de contrôle étant caractérisé en ce que le canal de passage du condenseur s’étend sur une première longueur et en ce qu’il comprend une voie d’écoulement du fluide sous forme partiellement gazeuse de longueur supérieure à la première longueur. Dans un mode de réalisation de l’invention, le canal de passage du condenseur peut comprendre une section de passage inférieure à la section d’entrée du condenseur. Dans un autre mode de réalisation de l’invention, le condenseur comprend un dispositif d’ajustement de débit comprenant une pièce tridimensionnelle centrale autour de laquelle s’étend un filetage définissant la voie d’écoulement en forme de spirale hélicoïdale. Dans un autre mode de réalisation de l’invention, le condenseur peut comprendre un milieu poreux à travers lequel le fluide s’écoule. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : La représente schématiquement un dispositif de contrôle passif de distribution du débit de fluide aux condenseurs dans une boucle fluide diphasique à pompage mécanique selon l’invention ; La représente schématiquement un mode préféré de réalisation d’un dispositif de contrôle passif de distribution du débit de fluide aux condenseurs dans une boucle fluide diphasique à pompage mécanique selon l’invention. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. Pour une meilleure visibilité et dans un souci de compréhension accrue, les éléments ne sont pas toujours représentés à l’échelle. La représente schématiquement un dispositif de contrôle 10 de distribution du débit d’un fluide caloporteur aux condenseurs dans une boucle fluide diphasique à pompage mécanique selon l’invention. La boucle fluide diphasique à pompage mécanique comprend un circuit fermé 11 dans lequel circule un fluide caloporteur 20. La boucle comprend un évaporateur 12 comprenant une entrée 13 et une sortie 14, à travers lequel le fluide circule depuis l’entrée 13 de l’évaporateur 12 sous forme liquide 20-liq vers la sortie 14 de l’évaporateur 12, l’évaporateur 12 étant configuré pour transformer le fluide sous forme liquide 20-liq en fluide sous forme partiellement gazeuse 20-g. L’évaporateur est configuré pour récupérer, capter une certaine quantité d’énergie thermique extérieure à la boucle, notamment issue des équipements dissipatifs sur le satellite. Le fluide caloporteur 20, alors sous forme liquide 20-liq en entrée de l’évaporateur, reçoit cette énergie thermique et s’évapore partiellement pour se transformer en fluide sous forme partiellement gazeuse 20-g dans l’évaporateur, et quitter l’évaporateur en fluide sous forme partiellement gazeuse 20-g. La boucle comprend sur au moins deux radiateurs du satellite un condenseur 15 comprenant une entrée 16 et une sortie 17 reliée à l’entrée 16 par un canal de passage 35, à travers lequel le fluide sous forme partiellement gazeuse 20-g circule depuis l’entrée 16 du condenseur 15 vers la sortie 17 du condenseur 15, le condenseur 15 étant configuré pour transformer le fluide sous forme partiellement gazeuse 20-g en fluide sous forme liquide 20-liq. Autrement dit, la boucle comprend au moins deux condenseurs 15 en parallèle, chacun associé à un radiateur du satellite. Le condenseur est configuré pour restituer une certaine quantité d’énergie thermique vers l’extérieur de la boucle, par exemple vers l’espace froid autour du satellite. Le fluide caloporteur 20, alors sous forme partiellement gazeuse 20-g en entrée du condenseur, perd cette énergie thermique et se condense partiellement. Comme illustré sur la , il y a au moins deux branches de condensations. A noter que l’invention s’applique également avec plus que deux branches de condensation. Selon l’environnement thermique du radiateur sur lequel le condenseur est installé, la transformation du fluide sous forme liquide dans le condenseur peut être partielle ou totale. Néanmoins, la réunion des différentes branches de condenseurs assure un fluide sous forme liquide 20-liq dans le condenseur, et quitte la réunion (38) des condenseurs en fluide sous forme liquide 20-liq. La boucle comprend une pompe 18, disposée entre la sortie 17 du condenseur 15 et l’entrée 13 de l’évaporateur 12, destinée à mettre en mouvement le fluide dans le circuit fermé 11 depuis l’évaporateur 12 vers le condenseur 15 sous forme partiellement gazeuse 20-g, et depuis la réunion (point 38) des condenseurs 15 vers l’évaporateur 12 sous forme liquide 20-liq. Enfin, la boucle comprend un réservoir de fluide 19 relié au circuit fermé 11, destiné à compenser les variations de volume de fluide dans le circuit fermé 11, en lien avec la quantité de vapeur, due à l’évaporation, présente dans le circuit fermé. Comme évoqué précédemment, nous parlons ici d’une pompe 18. L’invention s’applique de manière générale à un dispositif de circulation de fluide 18, qui peut aussi être par exemple un compresseur. Selon l’invention, le canal de passage 35 du condenseur 15 s’étend sur une première longueur 31 et il comprend une voie d’écoulement 32 du fluide sous forme partiellement gazeuse 20-g de longueur supérieure à la première longueur 31. La voie d’écoulement est à comprendre comme le chemin que parcourt le fluide à travers le condenseur 15 dans le canal de passage 35. La longueur de la voie d’écoulement est la développée linéaire, c’est-à-dire la distance parcourue par le fluide dans le canal de passage. La voie d’écoulement 32 est représentée de façon très schématique sur la dans le but d’illustrer de manière non-limitative le principe de l’invention. Le dispositif de l’invention permet une augmentation de la longueur de condensation. Il en résulte une résistance hydraulique élevée et adaptative obtenue grâce à la forme particulière du canal de passage du fluide dans le condenseur, comme cela apparaitra plus clairement ci-dessous. La représente schématiquement un mode préféré de réalisation d’un dispositif de contrôle passif de distribution du débit d’un fluide aux condenseurs dans une boucle fluide diphasique à pompage mécanique selon l’invention. Plus précisément, la représente le canal de passage 35 du condenseur. La voie d’écoulement 32 est symbolisée par les flèches représentant le parcours du fluide à dans le canal de passage 35. La longueur de ce parcours est supérieure à la longueur 31 du canal de passage. Avantageusement, le canal de passage 35 du condenseur 15 comprend une section de passage 33 inférieure à la section 34 d’entrée 16 du condenseur 15. Ainsi, la forme particulière du canal de passage du condenseur selon l’invention génère la résistance hydraulique élevée au prorata de sa capacité à condenser. De plus, cette section de passage 33 diminuée génère une vitesse d’écoulement élevée pour un débit donné et permet de maximiser les coefficients d’échange diphasique et monophasique du fluide. L’augmentation de longueur de la voie d’écoulement par rapport à la longueur du canal de passage peut être obtenue de différentes manières, l’une d’elles étant présentée ci-après. Une autre variante peut être constituée par un ou plusieurs canaux à proximité des parois du condenseur, de section inférieure à la section d’entrée du condenseur. Dans un mode de réalisation de l’invention, le condenseur 15 comprend un dispositif d’ajustement de débit comprenant une pièce tridimensionnelle centrale, préférentiellement mais de manière non-limitative un cylindre plein, (représentée sur la ) autour de laquelle s’étend un filetage définissant la voie d’écoulement 32 en forme de spirale hélicoïdale. Le pas 36 de filetage et la section de passage 33 peuvent être déterminés par un Homme du métier selon, notamment, le fluide utilisé, la capacité de relevage de pression de la pompe 18, afin de créer la résistance hydraulique. Dans un autre mode de réalisation de l’invention, le condenseur 15 comprend un milieu poreux à travers lequel le fluide s’écoule. Dans ce milieu poreux, le champ de vitesse local du fluide est hétérogène. Du fait de la porosité du milieu poreux, la longueur de la voie d’écoulement 32 est augmentée et la section de passage 33 est inférieure à la section 34 d’entrée. Le milieu poreux peut être, à titre d’exemples et de manière non-limitative, obtenu par un procédé de fabrication de métal frité lors duquel des particules métalliques sont compactées et le niveau de porosité est ajusté en modifiant la taille des particules métalliques. Ou bien le milieu poreux peut être obtenu par fabrication additive. Le dispositif de l’invention consiste à diminuer significativement la section de passage tout en augmentant la longueur hydraulique de condensation. Cela peut se traduire par exemple par un écoulement hélicoïdal du fluide. Ce principe permet d’atteindre pour un faible encombrement à la fois une résistance hydraulique élevée et un coefficient d’échange ainsi qu’une surface d’échange élevée. L’invention repose, pour une longueur donnée de condenseur, sur une augmentation importante de la résistance hydraulique au niveau du condenseur en comparaison à la résistance hydraulique dans le tubing (référence 37 sur la ) distribuant le débit vers le condenseur de chaque mur. La résistance hydraulique dépend de la quantité de vapeur du fluide partiellement gazeux qui entre dans le condenseur et sa diminution ou non tout au long de la voie d’écoulement 32. Il en résulte un ajustement dynamique et passif du débit de fluide transportant la dissipation thermique des équipements en fonction de l’environnement de chaque mur du satellite. La solution proposée permet l’utilisation d’une seule boucle diphasique avec un couplage efficace des murs via l’ajustement des débits dirigés vers chacun d’entre eux. Cet ajustement des débits est réalisé passivement, par le design hydraulique des condenseurs. En effet, le design des condenseurs est fait de façon à générer une résistance hydraulique importante lorsqu’il y a présence de vapeur dans l’écoulement et proportionnelle à la quantité de cette dernière. Ainsi, si la condensation ne se fait pas efficacement sur un mur (mur exposé à des flux externes tel que le soleil) la résistance hydraulique importante implique une diminution du débit dans ce mur, dirigeant naturellement le débit vers un mur où la condensation est plus efficace (mur avec un environnement radiatif plus favorable). La solution permet d’optimiser passivement le besoin en débit (et donc la réjection) au moindre écart d’environnement entre les murs. Cela se fait passivement sans aucun contrôle actif (c’est-à-dire sans réglage additionnel ou sans intervention de loi de contrôle, ni même de mesure de grandeur physique) du débit ou de la température au niveau du/des murs. De plus, le design des condenseurs générant la résistance hydraulique élevée au prorata de sa capacité à condenser permet également de maximiser les coefficients d’échange diphasique et monophasique du fluide L’invention consiste à diminuer significativement la section de passage tout en augmentant la longueur hydraulique de condensation. Cela peut se traduire par exemple par un écoulement hélicoïdal du fluide. Ce principe permet d’atteindre pour un faible encombrement une résistance hydraulique élevée, et un coefficient d’échange ainsi qu’une surface d’échange élevés Il apparaîtra plus généralement à l'Homme du métier que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'Homme du métier se basant sur ses connaissances générales. Dispositif de contrôle passif (10) de distribution du débit d’un fluide dans une boucle fluide diphasique à pompage mécanique, la boucle fluide diphasique à pompage mécanique comprenant : un circuit fermé (11) dans lequel circule un fluide caloporteur (20); un évaporateur (12) comprenant une entrée (13) et une sortie (14), à travers lequel le fluide circule depuis l’entrée (13) de l’évaporateur (12) sous forme liquide (20-liq) vers la sortie (14) de l’évaporateur (12), l’évaporateur (12) étant configuré pour transformer le fluide sous forme liquide (20-liq) en fluide sous forme partiellement gazeuse (20-g) ; au moins deux condenseurs (15) montés en parallèle, chacun comprenant une entrée (16) et une sortie (17) reliée à l’entrée (16) par un canal de passage (35), à travers lequel le fluide sous forme partiellement gazeuse (20-g) circule depuis l’entrée (16) du condenseur (15) vers la sortie (17) du condenseur (15), le condenseur (15) étant configuré pour transformer le fluide sous forme partiellement gazeuse (20-g) en fluide sous forme liquide (20-liq); un dispositif de circulation du fluide (18), disposé entre la sortie (17) du condenseur (15) et l’entrée (13) de l’évaporateur (12), destiné à mettre en mouvement le fluide dans le circuit fermé (11) depuis l’évaporateur (12) vers le condenseur (15) sous forme partiellement gazeuse (20-g) et depuis le condenseur (15) vers l’évaporateur (12) sous forme liquide (20-liq); un réservoir de fluide (19) relié au circuit fermé (11), destiné à compenser les variations de volume de fluide dans le circuit fermé (11) ; le dispositif de contrôle (10) étant caractérisé en ce que le canal de passage (35) du condenseur (15) s’étend sur une première longueur (31) et en ce qu’il comprend une voie d’écoulement (32) du fluide sous forme partiellement gazeuse (20-g) de longueur supérieure à la première longueur (31). Dispositif de contrôle (10) selon la revendication 1, dans lequel le canal de passage (35) du condenseur (15) comprend une section de passage (33) inférieure à la section (34) d’entrée (16) du condenseur (15). Dispositif de contrôle (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le condenseur (15) comprend un dispositif d’ajustement de débit comprenant une pièce tridimensionnelle centrale autour de laquelle s’étend un filetage définissant la voie d’écoulement (32) en forme de spirale hélicoïdale. Dispositif de contrôle (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le condenseur (15) comprend un milieu poreux à travers lequel le fluide s’écoule.