"Dispositif de dégazage d'un liquide"
La présente invention est relative à un dispositif de dégazage d'un liquide dans des rainures de tuyaux de chaleur réglés au gaz qui sont recouvertes par une structure capillaire et mutuellement séparées par des épaisseurs.
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He, Ar, peuvent être introduits à dessein dans des tuyaux de cha-leur ou se former dans ces derniers par des réactions chimiques non souhaitées. De tels gaz s'accumulent au cours du fonctionnement d'un tel tuyau de chaleur par l'écoulement de vapeur dans la zone de refroidissement. Si ces gaz sont introduits à dessein dans un tuyau de chaleur, la longueur de la zone de condensation peut être changée et on peut ainsi modifier le transfert thermique. De tels tuyaux de chaleur que l'on appelle réglés au gaz acquièrent une importance croissante en particulier dans l'astronautique parce qu'ils sont en état de maintenir la chaleur variable, cédée par des sources de chaleur (par exemple des éléments électroniques), à l'intérieur de limites de température étroites.
Puisque la limite de débit de tuyaux de chaleur à faible
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sistance hydraulique du liquide dans la structure capillaire agencée dans ces tuyaux, il faut choisir une structure capillaire à pores aussi fins que possible (force capillaire élevée) présentant une résistance hydraulique aussi faible que possible. Des artères fermées à leur extrémité dans la zone de chauffage et préparées par exemple à partir d'un treillis sont une structure capillaire de ce genre. La force capillaire est déterminée par l'ouverture ou largeur de mailles du tamis, la résistance hydraulique étant déterminée indépendamment de cela par la diamètre des artères.
En présence de gaz non condensable, il peut se former dans l'artère des bulles de gaz qui ne peuvent plus quitter celleci, parce que la bulle de gaz est enfermée de tous cotés par un film de liquide et que ce dernier ferme les_pores de l'artère. La bulle de gaz migre alors avec l'écoulement du liquide dans la zone de chauffage où elle empêche un transport de liquide ultérieur dans l'artère et entraîne ainsi la défaillance du tuyau de chaleur, si on ne parvient pas à éliminer aussi rapidement que possible la ou les bulles de gaz de l'artère. Cet effet est approximativement comparable à une embolie gazeuse dans un système capillaire biolo-gique.
Des artères courantes, telles que celles appliquées dans cbs tuyaux de chaleur réglés au gaz, sont agencées dans la chambre à vapeur et elles ne sont en communication avec la paroi du tuyau chauffé que par de minces épaisseurs pour le transport de liquide.
Jusqu'à présent on n'a pas encore trouvé un procédé simple, praticable et sur pour obtenir un dégagement certain des bulles de gaz hors des artères. Dans une publication de AIAA Paper
Nr. 74 - 748 (1974), (J.E. Eninger: Menisci coalescence as a mechanism for venting noncondensable gas from heat pipes) on propose l'introduction d'une feuille qui permet une légère sortie du gaz à partir d'une artère (feuille d'imprégnation ou d'aspiration ou "priming foil"). Cette feuille est agencée à l'extrémité de l'artère dans la zone de chauffage et elle est tellement mince qu'il
ne peut pas se former de film de liquide dans les pores. Ce procédé est coûteux, compliqué et sensible à des perturbations, car la
1 feuille à utiliser doit être très mince et reliée à l'artère. De
ce fait, aussi bien la feuille que la structure capillaire peu- vent être aisément endommagées. '
On connaît un autre procédé de la Dynatherm Corporation
(M. Groll et J.P. Kirkpatrick) dans NASA CR-137 778, Cet. 1975 (Jet pump assisted artery) et Proceed. 2nd Int. heat pipe Cont. (Bologna 1976), (Heat pipes for Spacecraft température control an asses- . ment of The State-of-The-Art). Ici on essaie à l'aide d'un procédé encore plus compliqué et plus coûteux d'aspirer le gaz hors de l'ar- � tère suivant le principe d'une pompe à eau.
La présente invention a pour but de réaliser un disposi-
. tif à l'aide duquel une élimination ou sortie parfaite et sûre des , bulles de gaz présentes hors des artères soit obtenue dans des tuyaux de chaleur à grand débit réglés au gaz et pour lequel on puisse ne pas renoncer à l'utilisation de telles artères.
On résout ce problème suivant l'invention essentiellement par le fait que la structure capillaire recouvrant les rainures est bonne conductrice de la chaleur et qu'entre les points ou surfaces d'appui formes entre la structure capillaire et les épaisseurs séparant les rainures il existe un flux de chaleur élevé. Cela offre l'avantage que, d'une manière simple, le film de liquide empêchant en soi la sortie hors de l'artère de la bulle de gaz est détruit par évaporation. La 'ou les bulles de gaz sont, en raison de la force capillaire, déterminée par le diamètre des artères, du liquide qui continue à exercer une pression, automatiquement pressées hors de l'artère par la structure capillaire, après que le liquide est évaporé en raison de la haute conductibilité thermique du recouvrement.
Si on utilise, comme structure capillaire, des rainures axiales ouvertes, du gaz non condensable ne peut pas abandonner cette structure partout, mais en raison de la grande ouverture des rainures, celles-ci n'ont qu'une faible force capillaire. La force capillaire des rainures peut, pour une surface d'écoulement constante, être augmentée d'un grand nombre de fois par recouvrement des rainures avec une matière à pores fins (par exemple une feuille métallique à fines perforations, un
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tigus, etc.). La force capillaire est déterminée par le diamètre des perforations, l'ouverture de tamis ou la distance entre les
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chauffage. Ces rainures recouvertes se comportent comme des artères fermées, les bulles de gaz ne pouvant tout d'abord pas quitter
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avec les épaisseurs entre les rainures d'une manière bonne conclue- )
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la mise en service du tuyau de chaleur le film de liquide dans les pores est aussitôt évaporé. Le gaz peut se dégagée et la rainure peut se remplir totalement de liquide. Le fait que le recouvrement des rainures ait un bon contact thermique avec la paroi du tuyau de chaleur chauffée par l'intermédiaire des épaisseurs entre les rainures est décisif pour l'obtention de cet effet. En outre, le recouvrement lui-même doit offrir une conductibilité thermique élevée. Dans les procédés connus et respectivement dans les artères qui y sont utilisées, lesquelles sont agencées dans la cham- bre de vapeur du tuyau de chaleur et n'ont qu'une liaison mauvaise conductrice de la chaleur avec la paroi du tuyau de chaleur, le dé- gazage.de ces artères n'est pas possible par évaporation des ménis- ques de liquide.
D'autres détails et particularités de l'invention res- sortiront de la description donnée ci-après, à titre non limita- tif et avec référence aux dessins annexés.
La figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un tuyau de chaleur à rainures recouvertes.
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sans et avec chauffage.
La figure 4 représente une vue en coupe transversale d'un tuyau de.chaleur à rainures recouvertes. La figure 5 représente une vue en coupe partielle d'un tuyau de chaleur à rainures recouvertes et épaisseurs,et le flux de chaleur passant de la paroi extérieure du tuyau de chaleur vers la chambre de. vapeur.
La figure-6 représente-un-vue de dessus de la figure 5 et la destruction des ménisques de liquide au travers d'une struc- ture capillaire de recouvrement et la conduction de chaleur et
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Les figures 7 et 8 représentent une feuille 'métallique; agencée dans la zone de chauffage d'un tuyau de chaleur à rainures ' recouvertes par un treillis.
Les figures 9a et 9b représentent des formes géométriques particulièrement appropriées de rainures recouvertes qui sont destinées à améliorer la conduction de chaleur vers le recouvrement.
La figure 10 représente une rainure recouverte par des enroulements de fil. La figure 1 représente d'une manière schématique une vue en coupe longitudinale partielle d'un tuyau de chaleur 1. Le long du côté de la paroi 3 du tuyau de chaleur 1, orienté vers la chambre de vapeur 2, s'étend une rainure 4 remplie d'un liquidé. La rainure 4 elle-même est recouverte,vers la chambre de vapeur 2, d'une matière finement poreuse, une structure capillaire 5. Le tuyau de chaleur 1 est fermé à son extrémité par un bouchon terminal 6 qui est relié à la paroi 3 du tuyau de chaleur 1 et à un anneau de fermeture 7 obturant les rainures 4,par un joint de soudure 8.
Les figures 2 et 3 représentent des vues en coupe à l'échelle agrandie d'une rainure 4 recouverte par une structure capillaire 5. Le liquide qui est contenu dans la rainure 4 et qui s'écoule en direction de la flèche F (figure 3) est traversé par des bulles en surpression d'un gaz non condensable, l'une de ces bulles 9 étant représentée. Sur la figure 2, le tuyau de chaleur 1 est sans chauffage et il se trouve donc à l'état froid. La rainure 4 recouverte par la structure capillaire 5 se comporte comme une artère fermée. La bulle de gaz 9 ne peut tout d'abord pas se dégager de la rainure recouverte 4.
Cependant si, comme il est représenté sur la figure 3, le tuyau de chaleur 1 est mis en fonctionnement, donc chauffé, et que la structure capillaire 5 a une bonne conductibilité thermique et qu'il existe en outre entre la structure capillaire 5 et les épaisseurs 12 (figure 4) entre les rainures 4 un bon contact thermique et respectivement égale- ment une bonne conductibilité thermique, le film de liquide 10
(figure 2) s'évapore aussitôt. Le gaz se dégage au travers des perforations, mailles ou pores 11 de la structure capillaire 5
(figure 3) dans la chambre de vapeur 2 (voir flèche G) et la rainure 4-est totalement remplie par le liquide.
Sur la figure 4 est représentée une vue en coupe transversale au travers du tuyau de chaleur 1 dans lequel les rainures 4 qui ont une section transversale en forme de queue-d'aronde sont agencées le long de la paroi 3. L'agencement est conçu de façon que les rainures 4 fassent saillie dans la paroi 3 jusqu'à environ la moitié Rt de son épaisseur et soient agencées entre elles à distances égales. Les rainures voisines 4 forment une épais-
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manière quelconque. La section transversale des épaisseurs 12 est réalisée de même en forme de queue-d'aronde, mais elle est orientée en sens inverse de la section transversale des rainures. Les rainures 4 sont recouvertes par une structure capillaire 5 cylin- drique, correspondant à leur longueur ou à la longueur du tuyau de chaleur 1, la structure capillaire 5 reposant sur les surfaces
13 des épaisseurs 12 qui limitent la chambre de vapeur 2 et étant reliée avec ces surfaces d'une manière bonne conductrice de la chaleur.
Sur les figures 5 et 6 sont représentés d'une manière schématique le flux de chaleur et la destruction qui y est associée du film de liquide 10 (figures 2, 3 et 6) ou du ménisque de liquide, respectivement des bulles de gaz 9 enfermées par. lui. Le flux.de chaleur 14 (figure 6), tel que le montrent les lignes ' d'écoulement 15 sur la figure 5, se produit à partir de la paroi
3 du tuyau de chaleur 1 vers la chambre de vapeur 2, le courant
de chaleur principal passant par les surfaces de contact 13 des épaisseurs 12 sur lesquelles repose la structure capillaire 5. Des courants partiels du courant de chaleur passent latéralement par les rainures 4 remplies de liquide et au travers et le long
du recouvrement constitué de la structure capillaire 5 (par exemple treillis, feuille finement poreuse). Le flux de chaleur dans un tuyau de chaleur 1 à rainures suivant les figures 1 à 6 est petit à un point négligeable au travers du liquide mauvais conducteur de la chaleur,contenu dans les rainures 4. Ainsi qu'il ressort de la figure 6, le flux de chaleur maximum 14 se produit par les épaisseurs 12 et leurs surfaces 13 en direction de la structure capillaire et respectivement du treillis 5 recouvrant les rainures 4 et à l'intérieur de cette structure capillaire 5 bonne conductrice de la chaleur, métallique. Le film de liquide 10 situé dans les différentes ouvertures, pores ou écarts de la structure capillaire 5 est détruit (10') par l'action de la chaleur et évaporé. Une bulle de gaz 9 située en dessous de la structure capillaire
ou treillis 5 recouvrant les rainures 4 peut se dégager dans la chambre de vapeur 2 située par-dessus (figures 1, 3, 4, 5). Ces ménisques de liquide sont d'autant plus rapidement détruits que la conduction de chaleur est meilleure. Le gaz est pressé hors de la rainure 4 par le liquide qui continue à exercer une pression en raison de la force capillaire (déterminée par la largeur et la pro-
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remplie de liquide et que les ouvertures ou pores de la structure capillaire 5 soient fermées avec du liquide. Ensuite la force capillaire des rainures 4 est à nouveau déterminée par la dimension des perforations, ouvertures ou pores 11 (figure 3) de la structure capillaire 5. Les épaisseurs 12 entre les rainures et les rainures ! 4 doivent être dimensionnées de façon qu'il y ait un flux de cha-
leur 14 suffisant au travers des épaisseurs 12 et une surface
. d'écoulement suffisamment grande pour le liquide. Dans la prati- <EMI ID=12.1>
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Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures 7 et 8, ainsi qu'on peut le voir tout d'abord et partiellement sur la figure 7, un treillis en fil métallique 16 enroulé en forme de tube et glissé sur un mandrin annulaire (non représenté sur la figure) est introduit dans un tuyau de chaleur à rainures et martelé sur les épaisseurs de rainure 12 (figure 8) (machine à marteler). Les bouchons terminaux 6 adaptés (figure 1) pour la fermeture des rainures 4 et respectivement du tuyau de chaleur 1 (figures 1 et 4) peuvent être simultanément martelés. Par le martelage on obtient un très bon contact thermique entre les épaisseurs
12 et le treillis en fil métallique 16 (figure 8).
Un treillis à très fines mailles, qui fournirait une force capillaire élevée, peut avoir des trous et des fissures ; en outre en raison du faible diamètre du fil il est mauvais conducteur de la chaleur. Par conséquent, dans la pratique, des treillis en fil métallique à ouverture d'environ 0,095 mm se sont avérés appropriés. De tels treillis en fil métallique possèdent une résistance suffisante, une bonne conductibilité thermique et une bonne force capillaire. Si le tuyau de chaleur doit pouvoir être courbé, il faut veiller à ce que les mailles du treillis en fil métallique 16 forment par rap-
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tact thermique entre le treillis en fil métallique 16 et les épaisseurs 12 par soudage ou pressage avec un ressort à boudin. On peut obtenir un dégazage encore meilleur du liquide contenu dans les rainures 4 lorsque la conductibilité thermique du treillis 16 est améliorée par une structure supplémentaire. Un épais fil 17, à base de la même matière que le treillis en fil métallique, est appliqué soit de l'extérieur soit de l'intérieur sur le treillis 16. De l'extérieur (chambre de vapeur) ce fil supplémen-taire exerce indépendamment, en raison de sa tension propre, une pression sur le treillis 16 lorsqu'il est enroulé en forme d'hélice. De ce fait la conduction de chaleur dans le treillis en fil métallique 16 lui-même et le transfert thermique depuis l'épaisseur 12 vers le treillis 16 sont simultanément améliorés.
Si le fil doit être appliqué de l'intérieur sur le treillis en fil métallique 16, un filet doit tout d'abord être tourné dans les rainures 4, le fil supplémentaire étant, placé en forme d'hélice dans ce filet. Un contact thermique intime entre le fil, le treillis en fil métallique 16 et les épaisseurs 12 est réalisé
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à'interrompre dans la zone de chauffage le treillis en fil métallique 16 par des feuilles métalliques 17'. Ces feuilles métalliques 17' peuvent de même être appliquées par martelage, soudage, soudage par points ou d'une manière analogue. En plus d'une con-
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terrompent le transport de liquide dans le treillis en fil métallique 16, ce qui favorise un séchage plus rapide. Dans ces feuilles métalliques 17' peuvent aussi être agencées de fines perforations 18 et elles peuvent alors être utilisées comme structure capillaire 5 pour le recouvrement des rainures 4 sur les épaisseurs
12. La condition pour cela est que, entre les épaisseurs 12 et cette structure capillaire 5, on obtienne un bon contact thermique, ce qui à nouveau est atteint par exemple par martelage, soudage, soudage par points ou par la tension propre de la structure capillaire 5. La force capillaire est déterminée par la dimension des perforations 18. Si on applique encore un treillis en fil métallique 16 au-dessus ou en dessous de la feuille métallique 17', la feuille métallique perforée 17' sert uniquement à améliorer la conduction de chaleur. La force capillaire est déterminée par.la dimension des pores du treillis en fil métallique 16.