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DISPOSITIF DE TRANSPORT DE CHALEUR L'invention concerne un dispositif de transport de chaleur, en particulier à changement de phase et hermétiquement clos, comprenant au moins un ensemble évaporateur pourvu de matériau poreux agencé pour fournir une pression capillaire exercée sur le fluide caloporteur à la surface dudit matériau poreux et agencé pour absorber l'apport de chaleur par vaporisation du liquide caloporteur à ladite surface du matériau poreux et d'un ensemble condenseur agencé pour céder l'apport de chaleur emmagasiné par le fluide caloporteur par condensation de la vapeur et d'un réservoir connecté audit ensemble évaporateur et agencé pour compenser les variations de liquide dans lesdits ensemble évaporateur et ensemble condenseur.
Un tel dispositif est connu du brevet US 4.515. 209. Suivant le dispositif connu, la chambre évaporateur comporte un vaporiseur contenant un matériau poreux perméable à un fluide caloporteur et adapté pour permettre le transfert thermique d'une source de chaleur (d'un équipement) à un condenseur (une source froide). L'évaporateur contient un espace vapeur qui communique à une ligne vapeur, et un espace liquide qui communique à une ligne liquide. Toutes deux sont connectées au condenseur. Ledit espace liquide contient au moins un réservoir appelé aussi cavité de compensation. Cette cavité est définie par au moins une extrémité de la surface extérieure axiale de la chambre évaporateur et la paroi de ladite chambre.
Le matériau capillaire comporte un canal axial qui permet la circulation liquide sur son ensemble. Suivant cette configuration et, puisque le volume de liquide caloporteur introduit dans le dispositif est légèrement supérieur au volume que peuvent contenir tous les éléments du dispositif, exceptés l'évaporateur et sa cavité, il y aura toujours du liquide caloporteur en contact avec le matériau capillaire dudit vaporiseur.
Le matériau capillaire est donc constamment saturé en liquide quelles que soient les conditions de fonctionnement ou de position du dispositif. De cette façon, le matériau poreux permet de développer des pressions de pompage capillaire pour compenser les pertes de charges du circuit. Les pressions capillaires des matériaux poreux actuels permettent de pomper le liquide caloporteur du condenseur vers l'évaporateur sur une hauteur de plusieurs mètres.
La tension superficielle du liquide caloporteur qui imbibe le matériau poreux crée la pression de pompage capillaire suivant la relation :
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avec ol = tension superficielle du liquide caloporteur
R = rayon de courbure du ménisque liquide à l'interface liquide/vapeur (voir figure 1, référence 12).
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L'interface liquide/vapeur se situe à la surface extérieure du matériau capillaire. Sur ladite surface, le flux de chaleur appliqué par la source de chaleur provoque la vaporisation du liquide à cette surface (tel que présenté à la figure 2).
Lorsque le flux de chaleur génère de la vapeur, celle-ci est poussée par la pression de pompage capillaire vers le condensateur via la ligne vapeur. La vapeur y est condensée et le fluide caloporteur retourne à l'état liquide audit espace liquide de l'évaporateur via la ligne liquide.
Si, avant la circulation de vapeur, la boucle est au repos avec l'évaporateur audessus du condenseur, le liquide caloporteur remplit complètement la ligne liquide, la ligne vapeur et le condenseur, et partiellement l'ensemble évaporateur. Le liquide de la ligne vapeur et du condenseur sera poussé par la vapeur jusqu'à la cavité de compensation de l'évaporateur. Le volume de liquide vis-à-vis du volume de vapeur contenu par la cavité de compensation dépend donc du volume de la vapeur vis-à-vis du volume de liquide que contient la ligne vapeur et le condenseur.
Ce dispositif de transport de chaleur à changement de phase et à pompage capillaire est qualifié d'"auto-start", car il ne requiert aucun dispositif connexe ni procédure spéciale de démarrage.
Les inconvénients majeurs du dispositif connus sont : d'une part l'évaporateur contient toujours un réservoir qui est thermiquement lié au vaporiseur. La température du réservoir est dictée par le flux thermique parasite du vaporiseur au réservoir. La pression du réservoir dépend de cette température et ainsi la pression et la température de vaporisation et de condensation à laquelle se produit le transport de chaleur du dispositif est égale à la température du réservoir. L'inconvénient pour l'utilisateur est que la température de la source de chaleur n'est pas régulée, car elle dépend du bilan thermique dudit flux parasite et des pertes de chaleur du réservoir vers l'ambiance.
Une solution réside en un contrôle thermique actif du réservoir via une cellule Peltier qui lie le réservoir au vaporiseur ou aux autres dispositifs connexes qui permettent de réguler la température du réservoir et ainsi la température de l'ensemble du dispositif de transport de chaleur. Ces solutions rendent le dispositif plus complexe. d'autre part, si le flux thermique appliqué par la source de chaleur est trop faible, la température du réservoir égale la température de surface du vaporiseur et la circulation de vapeur vers le condenseur ne s'effectue pas.
Il en résulte une augmentation inacceptable de la température de la source de chaleur.
Suivant le dispositif connu, l'évaporateur doit toujours contenir un réservoir.
Un dispositif de transport de chaleur comportant plusieurs évaporateurs distincts et pour lequel chaque évaporateur contient un réservoir, ne peut fonctionner que grâce à des systèmes actifs de contrôle très sophistiqués pour assurer que chaque réservoir comporte du liquide caloporteur. Un tel
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dispositif est trop complexe à gérer et non utilisé.
Un évaporateur de longueur importante ne parvient pas à fonctionner parce que la vapeur ou un gaz contenu dans le canal axial du matériau poreux ne parvient pas à s'échapper pour permettre la circulation du liquide caloporteur sur l'ensemble du matériau capillaire. Dans un tel cas, le matériau capillaire s'assèche et le flux de chaleur n'est pas transporté par le dispositif. Il en résulte une montée inacceptable de la température de la source de chaleur.
Du gaz non condensable, généré par la boucle après une longue période de fonctionnement, est collecté par le réservoir. Pour contenir le gaz non condensable, le réservoir doit être à une température plus basse que celle du vaporiseur. L'augmentation de température de l'ensemble du dispositif de transport de chaleur permet d'augmenter les pertes thermiques du réservoir vers l'ambiance et donc d'augmenter cet écart de température. Cela a pour inconvénient une augmentation significative de la température de l'ensemble du dispositif de transport de chaleur et de la source de chaleur. Le gaz non condensable est une des causes premières de réduction de performance et de panne des dispositifs à pompage capillaire connu.
L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients.
A cette fin, le dispositif de transport de chaleur suivant l'invention est caractérisé en ce que l'ensemble évaporateur et le réservoir forment des entités distinctes et en ce qu'au moins une liaison entre ledit réservoir et ledit matériau poreux de l'ensemble évaporateur comporte au moins une partie tubulaire de section quelconque agencée pour fournir en liquide caloporteur dudit réservoir audit matériau poreux et agencé pour découpler la liaison thermoconductive dudit ensemble évaporateur audit réservoir.
En dissociant le réservoir de l'ensemble évaporateur, le réservoir peut être conditionné à une température indépendante de celle de l'évaporateur.
Il n'y a pas de flux thermique parasite directe de l'évaporateur au réservoir. La température du réservoir est ainsi principalement donnée par la température du liquide provenant de la source froide et par la température de l'environnement. Ces deux températures sont généralement stables et basses, le réservoir et en conséquence l'ensemble évaporateur sont maintenus à une température minimum. Ce résultat est très largement souhaité par les utilisateurs car il permet un échange thermique avec un minimum de différence de température entre la source de chaleur et la source froide.
Une première forme de réalisation préférentielle d'un dispositif suivant l'invention est caractérisée en ce que ladite partie tubulaire comporte au moins un dispositif capillaire agencé pour fournir en liquide caloporteur dudit réservoir audit matériau poreux.
Ledit dispositif capillaire est préférentiellement prolongé d'une extrémité à l'autre du canal axial du matériau poreux.
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Suivant cette configuration, lors d'un fonctionnement du dispositif en apesanteur, le matériau poreux de l'ensemble évaporateur est alimenté en liquide caloporteur dudit réservoir via le dispositif capillaire.
Grâce à cette configuration, tout gaz ou vapeur dans le canal axial du matériau poreux ne gène pas la circulation du liquide vers le matériau poreux de l'ensemble évaporateur via le dispositif capillaire.
De plus, si de la vapeur ou un mélange de vapeur et de gaz non condensable se génèrent dans le canal axial de l'évaporateur, celui-ci est véhiculé vers le réservoir. En effet, le canal axial est soumis indirectement à un flux de chaleur parasite de la source de chaleur à travers le matériau poreux. Une augmentation de la température du liquide caloporteur s'ensuit, ce qui peut provoquer la génération de vapeur et provoquer le dégazage du liquide si celui-ci contient du gaz non-condensable dissous.
Dans ce cas, la température du canal axial du matériau poreux devient supérieur à la température du réservoir, ce qui provoque un flux de vapeur et du gaz non condensable vers la zone la plus froide, c'est-à-dire :"le réservoir". Ce mode de fonctionnement est celui d'un caloduc classique. Le réservoir réagit ainsi comme piège à gaz non condensable. Le bon fonctionnement du dispositif de transport de chaleur est ainsi assuré.
De ce fait, même pour des évaporateurs de grandes dimensions, l'apport de liquide tout le long du matériau poreux est réalisé grâce au fonctionnement caloduc du dispositif capillaire.
Le nombre d'évaporateurs connectés sur un seul réservoir n'est pas limitatif.
Une deuxième forme de réalisation préférentielle d'un dispositif suivant l'invention est caractérisé en ce que ledit réservoir est positionné à un niveau supérieur à celui de l'ensemble évaporateur. Suivant cette configuration, le liquide caloporteur du réservoir s'écoule préférentiellement par l'assistance de la gravité vers le canal axial du matériau poreux.
De préférence, le réservoir comprend un dispositif qui permet de refroidir ledit réservoir.
Ceci permet d'améliorer l'échappement des bulles de gaz dudit canal axial dudit matériau poreux vers le réservoir et de permettre une accumulation des gaz non condensables dans ledit réservoir.
De plus, si le dispositif peut refroidir ou chauffer le réservoir, une régulation active de l'ensemble de la température de fonctionnement du dispositif de transport est obtenue.
De préférence, ledit réservoir est connecté sur le retour du liquide caloporteur dudit ensemble condenseur audit ensemble évaporateur. De cette façon, le liquide sousrefroidi provenant de l'ensemble condenseur sert de source froide au réservoir. Dans ce cas, il n'y a pas besoin de contrôle actif de la température du réservoir, et par conséquent, la température de l'ensemble évaporateur sera conditionnée par la
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température de la source froide. Un tel dispositif de transport de chaleur a une température de fonctionnement proche de la température de la source froide. Cette caractéristique est souvent désirée par les utilisateurs.
Une autre configuration préférentielle est caractérisée en ce que ledit ensemble évaporateur est connecté entre ledit réservoir et ledit ensemble condenseur via la ligne de retour du liquide caloporteur. Cette configuration a l'avantage de provoquer une circulation forcée du liquide caloporateur dans le canal axial du matériau poreux de l'évaporateur lorsque des échanges de fluide sont occasionnés entre le réservoir et le condenseur.
De préférence, le réservoir est connecté thermiquement à au moins un évaporateur via une cellule thermoélectrique à effet Peltier pour permettre la dissipation thermique dudit réservoir vers ledit évaporateur. Cette configuration permet le contrôle actif de la température du réservoir et en conséquence la température de vaporisation et de condensation du dispositif et ainsi la température de l'ensemble évaporateur est contrôlée. Elle a l'avantage d'utiliser un évaporateur comme source froide du réservoir plutôt qu'un autre système connexe du dispositif de transport de chaleur.
Une forme préférentielle est caractérisée en ce que ladite partie tubulaire formant la liaison entre ledit réservoir et ledit ensemble évaporateur est lié thermiquement à la ligne vapeur liant la sortie évaporateur à l'ensemble condenseur. Cette configuration permet le préchauffage jusqu'à la température de saturation du liquide entrant dans le matériau poreux de l'ensemble évaporateur. Cet effet est à l'encontre de l'effet généralement recherché dans les systèmes connus. Cependant, lorsque le dispositif de transport de chaleur doit pouvoir fonctionner même en présence de gaz non condensable, le préchauffage du liquide produit le dégazage de celui-ci avant de pénétrer dans le matériau poreux.
Ce qui a pour avantage d'éviter un dégazage intempestif du liquide dans le matériau poreux qui occasionnerait la perte de pompage capillaire de l'ensemble évaporateur. Ladite partie tubulaire qui comporte le dispositif capillaire fournit le moyen au gaz d'être évacué vers le réservoir. Il est à noter que les systèmes connus ne peuvent fonctionner avec du gaz non condensable qui serait généré au cours du temps.
L'invention sera maintenant décrite plus en détail à l'aide d'un exemple de réalisation repris dans les figures.
La figure 1 présente deux coupes de détail de la surface du matériau capillaire.
La figure 2 présente une coupe de détail du dispositif capillaire selon l'invention liant le réservoir au matériau capillaire des évaporateurs.
La figure 3 présente, en coupe, l'ensemble évaporateur et le réservoir qui, selon l'invention, est séparé de l'évaporateur et positionné un niveau supérieur à celui de l'ensemble évaporateur.
La figure 4 présente, en coupe, un dispositif de transport de chaleur complet
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suivant l'invention.
Dans les figures, une même référence a été attribuée à un même élément ou à un élément analogue.
La figure 1 présente le principe de base d'un dispositif de transport de chaleur à changement de phase utilisant un matériau poreux agencé pour fournir une pression capillaire exercée sur le fluide caloporteur.
Le corps (10) d'un évaporateur soumis à un flux de chaleur q, provoque la vaporisation du liquide caloporteur contenu par le matériau (1). Il s'ensuit un dégagement de vapeur (4) vers des rainures collectrices de vapeur (2).
Une interface liquide/vapeur est produite à la surface du matériau poreux. Cette interface liquide (12) présente un rayon de courbure. La valeur du rayon de courbure du ménisque liquide contenu entre les particules de matière solide (11), du matériau poreux, fait naître la pression capillaire.
A l'aide de la pression capillaire, une circulation de liquide caloporteur (9) est produite dans le matériau poreux et dans l'ensemble du dispositif. Cette pression capillaire vainc l'ensemble des pertes de charges du dispositif, tel que le matériau poreux (1) soit saturé en liquide.
La figure 2 présente, selon l'invention, le dispositif capillaire (6), incorporé dans le canal axial (5) du matériau poreux (1).
Le liquide caloporteur (9) circule du dispositif capillaire (6) vers la surface extérieur du matériau poreux (1) soumis au flux de chaleur que. La vapeur produite est collectée par les rainures hélicoïdales (2).
La figure 3 présente une configuration préférentielle de l'ensemble évaporateur et réservoir, suivant l'invention, pour une utilisation sol du dispositif. L'ensemble évaporateur comprend ici 3 évaporateurs en parallèle, connectés à un seul réservoir, qui, selon l'invention, est séparé de l'ensemble évaporateur et positionné à un niveau supérieur à celui de l'ensemble évaporateur. Le flux de chaleur qe appliqué à un évaporateur provoque la pression capillaire. Le liquide caloporteur contenu dans la réserve de liquide (24) du réservoir (20) circule par la partie tubulaire (7) liant l'évaporateur au réservoir. La continuité du dispositif capillaire (6) du réservoir à l'extrémité du canal axial (5) assure une alimentation en liquide caloporteur sur toute la longueur du matériau poreux (1).
Lorsque des bulles de gaz et/ou une vaporisation se produit à l'intérieur du canal axial (5), un flux de gaz et/ou de vapeur (8) s'établit au centre du canal axial (5) vers le réservoir (20).
Ce flux de gaz à contre-courant (8) n'empêche pas la circulation du liquide caloporteur (9) par le dispositif capillaire (6).
Lorsque le gaz (8) débouche dans le réservoir (20), des bulles de gaz (26) s'échappent vers la cavité (25) laissée libre par le liquide (24) du réservoir.
Le flux de chaleur parasite à travers le matériau poreux (1) ayant provoqué une vaporisation partielle du liquide caloporteur contenu dans le canal axial (5), est dissipé au niveau du réservoir par un flux de chaleur (22) vers l'ambiance du réservoir et/ou absorbée par le liquide sous-refroidi véhiculé par la ligne d'entrée
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liquide (21).
La configuration du dispositif capillaire (6) est préférentiellement la configuration faisant l'objet du brevet d'invention n 903187. Cette configuration a l'avantage de dégager les bulles de gaz de la structure capillaire (6) vers le centre du canal (5).
Les pressions capillaires développées par la structure capillaire ont pour but d'une part de contrer les pertes de charges du liquide caloporteur du réservoir (20) à l'extrémité du canal axial (5) et d'autre part les pertes de charges de la vapeur et/ou du gaz (8).
La différence de température entre le canal axial (5) du matériau poreux (1) et le réservoir permet le dégagement de la vapeur et/ou du gaz (8) vers le réservoir.
La figure 4 présente un exemple préférentiel de dispositif complet de transport de chaleur selon l'invention. La configuration de l'ensemble évaporateur et réservoir comparée à la figure 3 est plus particulièrement dédiée à des applications de transport de chaleur en apesanteur pour les engins spatiaux.
L'ensemble évaporateur comporte, suivant l'exemple, 3 évaporateurs A, B et C branchés en parallèle. Les dispositifs capillaires (6) garantissent suivant l'invention l'alimentation en liquide caloporteur du réservoir (20) aux évaporateurs A, B et C.
Lors des tests sols, l'alimentation en liquide caloporteur de l'évaporateur B localisé légèrement au-dessus du réservoir est réalisée grâce à la pression de pompage capillaire développé par le dispositif capillaire (6).
Les flux de chaleur q, qg et q, c produisent un flux de vapeur (4) qui est véhiculé par la ligne vapeur (3) jusqu'au condenseur D et E. Le flux de chaleur qe absorbé aux évaporateurs par vaporisation du liquide caloporteur (9) est cédé aux
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condenseurs qc par condensation du flux de vapeur (4). condenseurs q, p La condensation formée sur les parois (30) des condenseurs est véhiculée le long de rainures capillaires (32) jusqu'aux extrémités des condenseurs. Une structure capillaire (31) permet seulement le passage du liquide condensé vers la ligne liquide (33).
Le liquide est pompé jusqu'aux évaporateurs à l'aide de la pression capillaire développée par les matériaux poreux (1) des évaporateurs et via la ligne (21), jusqu'au réservoir et aux parties tubulaires (7).
De préférence, suivant l'invention, le réservoir (20) est contrôlé thermiquement par une cellule thermoélectrique (à effet Peltier) (26). Une semelle (27) liant la cellule Peltier à un évaporateur permet l'apport ou l'extraction d'énergie thermique (22) du réservoir à l'évaporateur.
C'est la cellule Peltier (26) qui réalise la différence de température entre le réservoir (20) et la semelle (27) pour diriger l'énergie calorifique dans le sens souhaité.
Le contrôle de température du réservoir est ainsi réalisé. La pression dans le réservoir est fonction de la température du réservoir suivant la courbe de saturation du fluide caloporteur et par conséquent, la pression et la température de vaporisation et de condensation dans le dispositif de transport de chaleur est identique à celle du réservoir.
Le réservoir (20) contient une structure capillaire (23) afin de gérer en apesanteur la localisation du liquide caloporteur vis-à-vis de la vapeur ou des gaz non condensables contenus par le réservoir.
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Si du gaz non condensable est généré dans le dispositif, celui-ci sera collecté par le réservoir (20). Due à la pression partielle de gaz non condensable dans le réservoir, la température de celui-ci devra être maintenue à une température inférieure à celle de vaporisation aux évaporateurs afin de maintenir une égalité des pressions entre le réservoir et le restant du dispositif de transport de chaleur.