EP3004773A1 - Dispositif de transport de chaleur à fluide diphasique - Google Patents

Dispositif de transport de chaleur à fluide diphasique

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Publication number
EP3004773A1
EP3004773A1 EP14727210.8A EP14727210A EP3004773A1 EP 3004773 A1 EP3004773 A1 EP 3004773A1 EP 14727210 A EP14727210 A EP 14727210A EP 3004773 A1 EP3004773 A1 EP 3004773A1
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EP
European Patent Office
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floating bodies
liquid
reservoir
evaporator
tank
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14727210.8A
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German (de)
English (en)
Inventor
Vincent Dupont
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Euro Heat Pipes SA
Original Assignee
Euro Heat Pipes SA
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Publication date
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Publication of EP3004773A1 publication Critical patent/EP3004773A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/025—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes having non-capillary condensate return means
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    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
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    • F28D15/043—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure forming loops, e.g. capillary pumped loops
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/12—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for preventing overpressure

Definitions

  • the present invention relates to two-phase fluid heat transport devices, in particular mechanically passive devices with a two-phase fluid loop with capillary pumping or using gravity.
  • These devices can be regulated in temperature via a pressure control in the tank.
  • This control can be active (electrical heating resistance) or totally passive (introduction of an auxiliary gas into the tank).
  • the subject of the invention is a capillary pumping thermal transfer device adapted to extract heat from a hot source and to restore this heat to a cold source by means of a two-phase working fluid contained in a enclosed general circuit, comprising: at least one evaporator (1), having an inlet and an outlet,
  • a reservoir (3) having an interior volume with a liquid portion and a gas portion, and at least one inlet and / or outlet orifice (31; 31a, 31b),
  • a first communication circuit (4) for essentially vapor phase fluid, connecting the outlet of the evaporator to an inlet of the condenser
  • a second communication circuit (5) for fluid essentially in the liquid phase, connecting an outlet of the condenser to the tank and to the inlet of the evaporator, characterized in that the reservoir (3) comprises a plurality of floating bodies separating the liquid portion from the gas portion, whereby the heat exchange between the liquid portion and the gas portion is slowed down.
  • the floating bodies form a thermal barrier which provides a slowing of heat exchange between the liquid portion and the gaseous portion, which has several beneficial effects explained below.
  • the two-phase loop can be subject to significant variations in thermal load, and therefore the flow of liquid entering the liquid part can both have a variable or even chaotic flow and secondly a temperature quite different from that of the tank.
  • the influx of liquid may be at a temperature substantially greater than the average temperature of the reservoir which can lead to to effect there hot shock ", namely a rapid increase of the upper surface temperature of the liquid in the tank which causes an increase in pressure and temperature, with potentially near operating conditions the maximum limits in temperature and pressure.
  • the presence of the floating bodies then acts as a thermal resistance to slow the variations of the gas-liquid surface temperature (upper surface temperature of the liquid in the tank).
  • the plurality of floating body walls forms several superimposed layers; This gives a good efficiency the thermal barrier while allowing liquid-gas exchanges;
  • floating bodies are interconnected by a flexible structure; This prevents one or more floating bodies remains stuck on a wall or disengages from other floating bodies;
  • the reservoir comprises a low grid and a high grid, respectively arranged at a distance from the bottom wall and from the upper wall of the tank, so that these two grids prevent the floating bodies from passing through them and thus forming lower limits and upper for the displacement of the floating bodies inside the tank; This avoids one or more floating bodies do not stick on the inner wall or on the upper wall;
  • said floating bodies are made of a material selected from stainless steel, teflon, borosilicate, carbon, ceramic; whereby a chemically neutral material is chosen which does not age unfavorably over time;
  • said floating bodies may have a spherical shape, preferably with a diameter of between 0.5 and 10 mm; which facilitates the spatial rearrangement of the floating bodies in the event of a change in the geometry of the liquid surface;
  • the volume occupied by the plurality of said floating bodies is between 3% and 12% of the total volume of the tank; whereby a sufficient and optimal thickness of floating bodies is obtained, in particular for a tank having the usual dimensions for this kind application;
  • the reservoir comprises an inlet jet deflector in the vicinity of the inlet orifice; This prevents the jet of entry from having a direct influence on the layer of floating bodies;
  • the evaporator comprises a microporous mass adapted to provide capillary pumping of fluid in the liquid phase; so that a capillary pumping solution is used without resorting to the effect of gravity for the pumping function; whereby the device can be used in a microgravity environment;
  • the device can further comprise an anti member ⁇ back as a float arranged between the internal volume of the container and the microporous mass of one evaporator and arranged to prevent the liquid present in one evaporator only moves to the volume inside the tank; which makes the start of the two-phase loop more reliable;
  • the evaporator can be placed below the condenser and the tank, so that the gravity is used to move the liquid towards the evaporator; which represents an alternative to capillary pumping.
  • FIG. 1 is a general view of a device according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows in more detail the reservoir of the device of FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a variant of the reservoir of FIG. 2
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the device of the invention, in which gravity is mainly used to ensure the pumping of the two-phase loop.
  • FIG. 1 shows a capillary pumping heat transport device with a two-phase fluid loop.
  • the device comprises an evaporator 1, having an inlet 1a and an outlet 1b, and a microporous mass 10 adapted to provide capillary pumping.
  • the microporous mass 10 surrounds a blind central longitudinal recess 15 in communication with the inlet 1a to receive working fluid 9 in the liquid state from a reservoir 3.
  • the evaporator 1 is thermally coupled to a hot source 11, such as an assembly comprising electronic power components or any other element generating heat, for example by joule effect, or by any other process.
  • a hot source 11 such as an assembly comprising electronic power components or any other element generating heat, for example by joule effect, or by any other process.
  • the cavities released by the evacuated vapor are filled with liquid sucked by the microporous mass 10 from the aforementioned central recess 15; it is the phenomenon of capillary pumping well known in itself.
  • the temperature of the working fluid 9 is lowered below its equilibrium liquid-vapor temperature, which is also called sub-cooling ('sub-cooling' in English) so that the fluid can not do not iron in the vapor state without any heat input.
  • the vapor pressure pushes the liquid towards the outlet 2b of the condenser 2 which opens onto a second communication circuit 5, also connected to the tank 3.
  • Said second communication circuit 5 may comprise two distinct portions 5a, 5b as it will be seen further.
  • the second communication circuit 5 comprises working fluid essentially in the liquid phase, whereas the first communication circuit 4 comprises fluid essentially in the vapor phase.
  • the reservoir 3 has at least one inlet and / or outlet orifice 31, here in this case in FIG. 1 an inlet orifice 31a and a separate outlet orifice 31b, and the reservoir 3 has an interior volume 30, filled with the coolant 9 in diphasic form.
  • the working fluid 9 can be, for example, ammonia or any other suitable fluid, but methanol can preferably be chosen.
  • the working fluid 9 is in two-phase form in the tank 3 partly in the liquid phase 6 and partly in the vapor phase 7. In an environment in which a gravity is exerted (vertical in Z), the gas phase part 7 is located above the liquid phase portion 6 and a liquid-vapor interface 19 separates the two phases (upper surface of the liquid in the tank).
  • this pressure corresponds to the saturation pressure of the fluid at the temperature prevailing at the separation surface 19, by virtue of a one-to-one relationship that connects Psat and Tsat under saturation conditions.
  • the reservoir can undergo various inertial forces and varied.
  • the reservoir may be inclined with respect to its normal reference position, as shown in Figure 3.
  • floating bodies 8 there is a plurality of floating bodies 8 inside the tank. These floating bodies 8 are positioned naturally in the upper part of the liquid portion, generally at the interface between the liquid portion 6 and the gas portion 7.
  • these floating bodies 8 may be solid or hollow, the hollow internal volume being adapted according to desired buoyancy.
  • a material that is chemically inert with respect to the working fluid will be chosen.
  • stainless steel, teflon, borosilicate, carbon, ceramic, or other materials may be used.
  • floating bodies are designed to resist without bursting at a relatively low external pressure, for example up to a few hundredths of an atmosphere in the case of use of low-pressure fluid such as methanol at -50 ° C. or during the pre-emptied filling of the system.
  • floating bodies 8 are designed to withstand the maximum pressure that can prevail in the two-phase loop temperature and maximum thermal load, which can go up to ten bars.
  • a sufficient number of floating bodies 8 are provided so that they form several superimposed layers, as shown in particular in FIGS. 2 and 3, whereby the floating bodies can be reconfigured spatially according to the surface and the geometry of the liquid-gas interface. For example, when the reservoir is inclined ( Figure 3), the surface of the liquid-gas interface is greater and therefore, the floating bodies are reconfigured spatially to occupy all this surface but on a slightly smaller thickness.
  • all the floating bodies 8 form a thermal barrier with variable geometry.
  • the floating bodies can be chosen for several shapes.
  • a diameter for the balls between 0.5mm and 10 mm, or between 2mm and 5mm.
  • all the floating bodies can have substantially the same shape, spherical or other. We then use a single type that is counted or weighed to arrive at the required amount of insertion into the tank.
  • the reservoir may be a cylinder of a certain length and axis A
  • the floating bodies may be chosen as round rods of small diameter extending parallel to the axis A along the entire length of the cylinder, and arranged next to each other.
  • the reservoir 3 serves as expansion vessel for the working fluid of the two-phase loop and for possible pressure regulation. Therefore, the The liquid portion in the tank varies between a minimum non-zero volume in the tank and a maximum volume that does not occupy the entire interior volume 30 of the tank 3.
  • the mesh of the grids is small enough to prevent the floating bodies from crossing the grids. It is arranged to have the lower grid 83 a little below the minimum volume of liquid and the upper gate 82 a little above the maximum volume of liquid in the tank.
  • vertical grids 13 can prevent rapid movements of the liquid which could disturb the efficiency of the floating bodies.
  • the free surface is then compartmentalized to obtain this anti-sloshing function.
  • the volume occupied by the plurality of said floating bodies can advantageously be between 3% and 12% of the total volume of the tank, so that a sufficient and optimal thickness of floating bodies is obtained, in particular for a tank having usual dimensions for this kind of application, namely three relatively small dimensions.
  • a flexible structure for example of the net or gauze type as shown in FIG. 3.
  • at least one end of the envelope containing the floating bodies is attached to one side of the tank at a point of attachment 40.
  • the flexible structure is extensible or has a certain length of slack.
  • the floating bodies are trapped inside the net, which avoids one or more floating bodies does not separate from the group.
  • the reservoir comprises an inlet jet deflector 38 in the vicinity of the inlet orifice 31a or the inlet / outlet port 31 according to the configuration of the second conduit.
  • This inlet jet deflector 38 prevents a rapid inflow of liquid into the reservoir from creating a stream in the liquid phase directed directly to the liquid-gas interface.
  • This deflector may be in the form of a U-shaped profile oriented downwards, or a bell or any other shape creating a sufficient deflection of the path of the liquid entering vertically upwards.
  • a strainer 34 may optionally be provided to prevent one or more floating bodies from being introduced into the pipe. liquid to the evaporator.
  • the strainer 34 may be for example an iron straw type structure, or a sponge-type structure or a macroporous structure.
  • the first and second fluid communication circuits 4,5 are preferably tubular conduits, but could be other types of fluid communication conduits or channels (rectangular conduits, flexible, etc. ).
  • the second fluid communication circuit 5 may be in the form of two separate independent pipes 5a, 5b (see Fig 1) or a single pipe with a 'T' connection 5c (see Fig 4).
  • the second fluid communication circuit 5 connects the outlet of the condenser 2b to the inlet of the evaporator 1a, either indirectly via the reservoir (in the case of two independent conduits) or directly (case or single driving with 'T').
  • the device may further comprise a non-return member 60 in the form of a float arranged between the internal volume of the reservoir and the evaporator.
  • This non-return member forms a valve intended to prevent the liquid present in the evaporator from moving towards the interior volume of the tank, in particular at the time of the sudden start.
  • the device is devoid of any mechanical pump although the invention does not exclude the presence of a mechanical booster pump.

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Abstract

Dispositif de transfert thermique à fluide diphasique à pompage capillaire ou gravitaire, avec un fluide de travail diphasique contenu dans un circuit général clos, comprenant un évaporateur (1), un condenseur (2), un réservoir (3) ayant un volume intérieur (30) avec une portion liquide (6) et une portion gaz (7), un premier circuit de communication (4) vapeur, un deuxième circuit de communication (5) de phase liquide, dans lequel le réservoir (3) comprend une pluralité de corps flottants (8) séparant la portion liquide de la portion gaz, moyennant quoi on ralentit les échanges thermiques entre la portion liquide et la portion gaz, ce qui permet d'amoindrir l'effet de mouvements de la portion liquide ou d'un afflux de liquide froid ou chaud dans le réservoir.

Description

Dispositif de transport de chaleur à fluide diphasique
La présente invention est relative aux dispositifs de transport de chaleur à fluide diphasique, en particulier les dispositifs mécaniquement passifs à boucle fluide diphasique à pompage capillaire ou utilisant la gravité.
Il est connu du document FR-A-2949642 de tels dispositifs utilisés comme moyen de refroidissement pour convertisseur de puissance électrotechnique.
Ces dispositifs peuvent être régulés en température via un contrôle de la pression dans le réservoir. Ce contrôle peut être actif (résistance électrique chauffante) ou totalement passif (introduction d'un gaz auxiliaire dans le réservoir) .
Cependant, il est apparu que les phases de démarrage étaient particulièrement délicates pour des puissances thermiques importantes, il peut se produire un assèchement de la mèche capillaire et donc un échec du démarrage.
De plus, si le dispositif est soumis à des accélérations, il peut se produire un phénomène de ycold shock' dans le réservoir qui abaisse brutalement la pression et qui détériore la performance.
Qui plus est, des variations importantes de la charge thermique peuvent conduire à des instabilités du fonctionnement de la boucle diphasique.
Il est donc apparu un besoin d'augmenter d'une part la fiabilité du démarrage et d'autre part la fiabilité du fonctionnement de telles boucles sous des conditions de charge thermique présentant de fortes variations.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de transfert thermique à pompage capillaire, adapté pour extraire de la chaleur depuis une source chaude et pour restituer cette chaleur à une source froide au moyen d'un fluide de travail diphasique contenu dans un circuit général clos, comprenant : - au moins un évaporateur (1), ayant une entrée et une sortie,
- au moins un condenseur (2),
- un réservoir (3) ayant un volume intérieur avec une portion liquide et une portion gaz, et au moins un orifice d'entrée et/ou sortie (31 ;31a,31b),
- un premier circuit de communication (4), pour du fluide essentiellement en phase vapeur, reliant la sortie de 1 ' évaporateur à une entrée du condenseur,
- un deuxième circuit de communication (5), pour du fluide essentiellement en phase liquide, reliant une sortie du condenseur au réservoir et à l'entrée de 1 'évaporateur, caractérisé en ce que le réservoir (3) comprend une pluralité de corps flottants séparant la portion liquide de la portion gaz, moyennant quoi on ralentit les échanges thermiques entre la portion liquide et la portion gaz.
Grâce à ces dispositions, les corps flottants forment une barrière thermique qui procure un ralentissement des échanges thermiques entre la portion liquide et la portion gazeuse, ce qui a plusieurs effets bénéfiques explicités ci-après .
En effet, la boucle diphasique peut être soumise à des variations importantes de charge thermique, et donc le flux de liquide qui pénètre dans la partie liquide peut d'une part avoir un débit variable voire chaotique et d'autre part une température assez différente de celle du réservoir .
Tout d'abord on peut amoindrir l'effet d'un afflux de liquide froid dans le réservoir. Un tel afflux de liquide froid peut conduire à un effet de ycold shock', à savoir un abaissement brutal de la température de surface supérieure du liquide dans le réservoir qui entraine une baisse de la pression et une augmentation brusque des pertes de charges néfastes au fonctionnement de la boucle. Grâce à la présence des corps flottants, la variation de température de la surface de la phase liquide sera beaucoup plus lente. Cet effet est particulièrement sensible si le réservoir est régulé en pression thermiquement par l'intermédiaire d'une cartouche chauffante.
Dans d'autres circonstances, par exemple dans le cas d'une pressurisation par introduction volontaire d'un gaz auxiliaire inerte dans le réservoir, l'afflux de liquide peut être à une température sensiblement supérieure à la température moyenne du réservoir ce qui peut conduire à un effet de yhot shock', à savoir un accroissement rapide de la température de surface supérieure du liquide dans le réservoir qui entraine une hausse de la pression et de la température, avec des conditions de fonctionnement potentiellement proches des limites maximum en température et pression. Là aussi, la présence des corps flottants agit alors comme une résistance thermique pour ralentir les variations de la température de surface gaz-liquide (température de surface supérieure du liquide dans le réservoir) .
Enfin, il peut se produire des mouvements de fluide importants dans le réservoir lorsque le dispositif est soumis à des accélérations, par exemple si celui-ci est à bord d'un véhicule de transport. Ceci peut conduire alors un effet de mélange dans le réservoir, ce qui peut entraîner des variations rapides et indésirables de la température de la surface du liquide en contact avec la phase gazeuse dans le réservoir, et par conséquent des instabilités de fonctionnement de la boucle diphasique. Là encore, les corps flottants forment une barrière qui amortit l'effet de mélange dans le liquide.
Dans divers modes de réalisation de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et /ou à l'autre des dispositions suivantes :
- la pluralité de corps flottants parois forme plusieurs couches superposées ; On obtient ainsi une bonne efficacité de la barrière thermique tout en autorisant les échanges liquide-gaz ;
- lesdits corps flottants sont reliés entre eux par une structure souple ; On évite ainsi qu'un ou plusieurs corps flottants reste collé sur une paroi ou se désolidarise des autres corps flottants ;
- le réservoir comprend une grille basse et une grille haute, agencées respectivement à distance de la paroi inférieure et de la paroi supérieure du réservoir, de manière à ce que ces deux grilles empêchent les corps flottants de les traverser et on forme ainsi des limites inférieure et supérieure pour le déplacement des corps flottants à l'intérieur du réservoir ; On évite ainsi qu'un ou plusieurs corps flottants ne viennent se coller sur la paroi intérieure ou sur la paroi supérieure ;
- tous lesdits corps flottants ont sensiblement la même forme ; ce qui représente une solution facile à industrialiser, car on utilise un seul type d'éléments que l'on compte ou que l'on pèse pour en déterminer la quantité nécessaire ;
- lesdits corps flottants sont réalisés dans une matière choisie parmi l'acier inox, le téflon, le borosilicate, le carbone, la céramique ; moyennant quoi on choisit un matériau chimiquement neutre et qui ne vieillit pas défavorablement dans le temps ;
lesdits corps flottants peuvent avoir une forme sphèrique, de préférence avec un diamètre compris entre 0.5 et 10 mm ; ce qui facilite le réagencement spatial des corps flottants en cas de changement de géométrie de la surface de liquide ;
- le volume occupé par la pluralité desdits corps flottants est compris entre 3% et 12% du volume total du réservoir ; moyennant quoi on obtient une épaisseur suffisante et optimale de corps flottants, notamment pour un réservoir ayant des dimensions habituelles pour ce genre d'application ;
- le réservoir comprend un déflecteur de jet d'entrée au voisinage de l'orifice d'entrée ; On évite ainsi que le jet d'entrée ait une influence directe sur la couche de corps flottants ;
1 ' évaporateur comprend une masse microporeuse adaptée pour assurer un pompage capillaire de fluide en phase liquide ; de sorte qu'on utilise une solution à pompage capillaire sans faire appel à l'effet de la gravité pour la fonction pompage ; moyennant quoi on peut utiliser le dispositif dans un environnement de microgravité ;
- le dispositif peut comprendre en outre un organe anti¬ retour sous forme de flotteur agencé entre le volume intérieur du réservoir et la masse microporeuse de 1 ' évaporateur , et agencé pour empêcher que du liquide présent dans 1 ' évaporateur ne se déplace vers le volume intérieur du réservoir ; ce qui fiabilise le démarrage de la boucle diphasique ;
- le dispositif étant principalement soumis à la gravité, 1 ' évaporateur peut être placé en dessous du condenseur et du réservoir, de sorte que la gravité est utilisée pour déplacer le liquide vers 1 ' évaporateur ; ce qui représente une alternative au pompage capillaire.
D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de plusieurs modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en regard des dessins joints sur lesquels :
- la figure 1 est une vue générale d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 montre de façon plus détaillée le réservoir du dispositif de la Figure 1,
- la figure 3 montre une variante du réservoir de la Figure 2,
- la figure 4 montre un seconde mode de réalisation du dispositif de l'invention, dans lequel on utilise principalement la gravité pour assurer le pompage de la boucle diphasique.
Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires.
La figure 1 montre un dispositif de transport de chaleur à pompage capillaire, à boucle fluide diphasique. Le dispositif comprend un évaporateur 1, ayant une entrée la et une sortie lb, et une masse microporeuse 10 adaptée pour assurer un pompage capillaire. A cet effet, la masse microporeuse 10 entoure un évidement longitudinal central borgne 15 en communication avec l'entrée la pour recevoir du fluide de travail 9 à l'état liquide depuis un réservoir 3.
L ' évaporateur 1 est thermiquement couplé à une source chaude 11, comme par exemple un ensemble comprenant des composants électroniques de puissance ou tout autre élément générant de la chaleur, par exemple par effet joule, ou par tout autre processus.
Sous l'effet de l'apport de calories au contact 16 de la masse microporeuse emplie de liquide, du fluide passe de l'état liquide à l'état vapeur et s'évacue par la chambre de transfert 17 et par un premier circuit de communication 4 qui achemine ladite vapeur vers un condenseur 2 ayant une entrée 2a et une sortie 2b.
Dans 1 ' évaporateur 1, les cavités libérées par la vapeur évacuée sont comblées par du liquide aspiré par la masse microporeuse 10 à partir de 1 'évidement central 15 susmentionné ; il s'agit du phénomène de pompage capillaire bien connu en soi.
A l'intérieur dudit condenseur 2, de la chaleur est cédé par le fluide en phase vapeur à une source froide 12, ce qui provoque un refroidissement du fluide vapeur et son changement de phase vers la phase liquide, autrement dit sa condensation .
Au niveau du condenseur 2, la température du fluide de travail 9 est abaissée en dessous de sa température d'équilibre liquide-vapeur, ce qui est aussi appelé sous- refroidissement ( ' sub cooling' en anglais) de sorte que le fluide ne peut pas repasser à l'état vapeur sans apport conséquent de chaleur.
La pression de vapeur pousse le liquide en direction de la sortie 2b du condenseur 2 qui débouche sur un deuxième circuit de communication 5, relié par ailleurs au réservoir 3. Ledit deuxième circuit de communication 5 peut comporter deux portions distinctes 5a, 5b comme il sera vu plus loin.
Le deuxième circuit 5 de communication comporte du fluide de travail essentiellement en phase liquide, alors que le premier circuit de communication 4 comporte du fluide essentiellement en phase vapeur.
Le réservoir 3 présente au moins un orifice d'entrée et/ou sortie 31, ici en l'occurrence sur la figure 1 un orifice d'entrée 31a et un orifice de sortie 31b distincts, et le réservoir 3 présente un volume intérieur 30, rempli du fluide caloporteur 9 sous forme diphasique. Le fluide de travail 9 peut être par exemple de l'ammoniac ou tout autre fluide approprié, mais on peut choisir préfèrentiellement du méthanol. Le fluide de travail 9 se présente sous forme diphasique dans le réservoir 3 pour partie sous phase liquide 6 et pour partie sous phase vapeur 7. Dans un environnement où une gravité s'exerce (verticale selon Z) , la partie de phase gazeuse 7 se situe au dessus de la partie de phase liquide 6 et une interface liquide-vapeur 19 sépare les deux phases (surface supérieure du liquide dans le réservoir) .
C'est la température de cette surface de séparation 19 qui détermine la pression dans la boucle, cette pression correspond à la pression de saturation du fluide à la température prévalant à la surface de séparation 19, en vertu de relation biunivoque qui relie Psat et Tsat en conditions de saturation.
II faut remarquer que, dans le cas où le dispositif de transfert thermique est situé dans un véhicule en déplacement, le réservoir peut subir des forces inertielles diverses et variées. De plus, le réservoir peut se retrouver incliné par rapport à sa position de référence normale, comme illustrée à la figure 3.
Avantageusement selon l'invention, on dispose une pluralité de corps flottants 8 à l'intérieur du réservoir. Ces corps flottants 8 se positionnent naturellement dans la partie supérieure de la portion liquide, globalement à l'interface entre la portion liquide 6 et la portion gaz 7.
Leur flottabilité par rapport au liquide du fluide de travail doit être suffisante, et par conséquent leur densité doit être sensiblement inférieure à la densité du liquide. Suivant le matériau choisi, ces corps flottants 8 peuvent être donc pleins ou creux, le volume interne creux étant adapté en fonction de flottabilité désirée.
On choisira de préférence un matériau inerte chimiquement vis-à-vis du fluide de travail. De préférence on pourra envisager l'inox, le téflon, le borosilicate, le carbone, la céramique, ou d'autres matériaux.
Ces corps flottants sont prévus pour résister sans éclater à une pression extérieure relativement faible par exemple jusqu'à quelques centièmes d'atmosphère dans le cas d'utilisation de fluide à basse pression comme le méthanol à -50°C ou lors de la phase de mise sous vide préalable du remplissage du système.
Par ailleurs, ces corps flottants sont prévus pour supporter la pression maximale pouvant régner dans la boucle diphasique à température et charge thermique maximum, qui peut aller jusqu'à une dizaine de bars. Avantageusement, on prévoit un nombre suffisant de corps flottant 8 de manière à ce qu'ils forment plusieurs couches superposées, comme ceci est représenté en particulier sur les figures 2 et 3, moyennant quoi les corps flottants peuvent se reconfigurer spatialement selon la surface et la géométrie de l'interface liquide-gaz. Par exemple, lorsque le réservoir est incliné (figure 3), la surface de l'interface liquide-gaz est supérieure et par conséquent, les corps flottants se reconfigurent spatialement pour occuper toute cette surface mais sur une épaisseur un peu plus faible.
En d'autres termes, l'ensemble des corps flottants 8 formes une barrière thermique à géométrie variable.
Suivant l'application et la forme du réservoir, plusieurs formes peuvent être choisies pour les corps flottants. Avantageusement, on pourra choisir une forme de sphère, moyennant quoi la pluralité de corps flottants constituera un tapis de billes flottantes.
Par exemple, on pourra choisir un diamètre pour les billes compris entre 0.5mm et 10 mm, voire entre 2mm et 5mm.
Selon un aspect avantageux, tous les corps flottants peuvent avoir sensiblement la même forme, sphérique ou autre. On utilise alors un seul type que l'on compte ou que l'on pèse pour arriver à la quantité nécessaire insertion dans le réservoir.
Alternativement, lorsque par exemple le réservoir peut se présenter comme un cylindre d'une certaine longueur et d'axe A, les corps flottants peuvent être choisis comme des tiges rondes de petit diamètre s 'étendant parallèlement à l'axe A sur toute la longueur du cylindre, et agencées les unes à côté des autres.
Le réservoir 3 sert de vase d'expansion pour le fluide de travail de la boucle diphasique et pour l'éventuelle régulation en pression. Par conséquent, la portion liquide dans le réservoir évolue entre un volume minimum non nul dans le réservoir et un volume maximum qui n'occupe toutefois pas la totalité du volume intérieur 30 du réservoir 3.
Afin d'éviter que des corps flottants 8 ne puissent se coller aux parois, en particulier à la paroi supérieure 32 à la paroi inférieure 33 du réservoir, on prévoit d'agencer des grilles horizontales, à savoir une grille supérieure 82, et grille inférieure 83, leur position étant compatible avec le volume minimum et le volume maximum de la portion liquide dans le réservoir comme mentionné ci- dessus .
La maille des grilles est suffisamment petite pour empêcher les corps flottant de traversées les grilles. On s'arrange pour disposer la grille inférieure 83 un peu en dessous du volume minimum de liquide et la grille supérieure 82 un peu au-dessus du volume maximum de liquide dans le réservoir.
Pour les systèmes soumis à des accélérations longitudinales violentes ou périodiques, des grilles verticales 13 (cf Fig. 4) peuvent empêcher les mouvements rapides du liquide qui pourraient perturber l'efficacité des corps flottants. La surface libre est alors compartimentée pour obtenir cette fonction anti-sloshing .
Le volume occupé par la pluralité desdits corps flottants peut avantageusement être compris entre 3% et 12% du volume total du réservoir, de sorte que l'on obtient une épaisseur suffisante et optimale de corps flottants, notamment pour un réservoir ayant des dimensions habituelles pour ce genre d'application, à savoir trois dimensions relativement peu éloignées.
Selon une caractéristique optionnelle, on prévoit d'envelopper les corps flottants dans une structure souple par exemple de type filet 35 ou gaze comme ceci est illustré la figure 3. Dans ce cas, au moins une extrémité de l'enveloppe contenant les corps flottants est attachée sur un côté du réservoir à un point de fixation 40.
Il n'est pas exclu d'avoir plusieurs points d'attache, à condition que la structure souple soit extensible ou présente une certaine longueur de mou. Les corps flottants sont prisonniers à l'intérieur du filet, ce qui évite un ou plusieurs corps flottants ne se désolidarise du groupe.
De plus, avantageusement selon l'invention, le réservoir comprend un déflecteur de jet d'entrée 38 au voisinage de l'orifice d'entrée 31a ou de l'orifice d'entrée/sortie 31 selon la configuration de la deuxième conduite .
Ce déflecteur de jet d'entrée 38 empêche qu'une arrivée rapide de liquide dans le réservoir ne crée un courant dans la phase liquide dirigée directement vers l'interface liquide-gaz. Ce déflecteur peut se présenter sous la forme d'un profilé en U orienté vers le bas, ou d'une cloche ou de toute autre forme créant une déviation suffisante de la trajectoire du liquide entrant verticalement vers le haut.
Au niveau de l'orifice d'entrée 31a et/ou d'entrée sortie 31 du réservoir on peut prévoir optionnellement une crépine 34, illustrée à la figure 4, pour empêcher qu'un ou plusieurs corps flottants ne puissent être introduits dans la conduite liquide à destination de 1 ' évaporateur .
La crépine 34 peut être par exemple une structure de type paille de fer, ou encore une structure de type éponge ou une structure macroporeuse.
II peut être prévu en outre un orifice de remplissage
39 fermé après le remplissage initial de fluide de travail.
Les premier et second circuits de communication fluide 4,5 sont de préférence des conduites tubulaires, mais il pourrait s'agir d'autres types de conduites ou de canaux de communication fluides (conduites rectangulaires, flexibles, etc. ) .
De même, le deuxième circuit de communication fluide 5 peut être sous la forme de deux conduites indépendantes distinctes 5a, 5b (cf. Fig 1) ou d'une seule conduite avec un raccord en ' T ' 5c (cf. Fig 4) .
Ces configurations de conduites restent pertinentes lorsque plusieurs et/ou plusieurs condenseurs sont connectés en parallèle.
Dans tous les cas, le deuxième circuit de communication fluide 5 relie la sortie du condenseur 2b à l'entrée de 1 ' évaporateur la, soit indirectement en passant par le réservoir (cas de deux conduites indépendantes) soit directement (cas ou d'une seule conduite avec ' T ' ) .
Le dispositif peut comprendre en outre un organe anti-retour 60 sous forme de flotteur agencé entre le volume intérieur du réservoir et 1 ' évaporateur . Cet organe anti-retour forme un clapet destiné à empêcher que du liquide présent dans 1 ' évaporateur ne se déplace vers le volume intérieur du réservoir, notamment au moment du démarrage brutal.
Avantageusement selon l'invention, le dispositif est dépourvu d'une quelconque pompe mécanique bien que l'invention n'exclut pas la présence d'une pompe mécanique d ' appoint .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de transfert thermique, principalement soumis à la gravité terrestre, adapté pour extraire de la chaleur depuis une source chaude (11) et pour restituer cette chaleur à une source froide (12) au moyen d'un fluide de travail diphasique contenu dans un circuit général clos, comprenant :
- au moins un évaporateur (1), ayant une entrée et une sortie,
- au moins un condenseur (2),
- un réservoir (3) ayant un volume intérieur (30) avec une portion liquide 6 et une portion gaz 7, et au moins un orifice d'entrée et/ou sortie ( 31 ; 3 la, 3 lb) ,
- un premier circuit de communication (4), pour du fluide essentiellement en phase vapeur, reliant la sortie de 1 ' évaporateur à une entrée du condenseur,
- un deuxième circuit de communication (5), pour du fluide essentiellement en phase liquide, reliant une sortie du condenseur au réservoir et à l'entrée de 1 'évaporateur, caractérisé en ce que le réservoir (3) comprend une pluralité de corps flottants (8) séparant la portion liquide de la portion gaz, moyennant quoi on ralentit les échanges thermiques entre la portion liquide et la portion gaz .
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ladite pluralité de corps flottants (8) forme plusieurs couches superposées .
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel lesdits corps flottants (8) sont reliés entre eux par une structure souple (35) .
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel le réservoir (3) comprend une grille basse (83) et une grille haute (82), agencées respectivement à distance de la paroi inférieure et de la paroi supérieure du réservoir, de manière à ce que ces deux grilles empêchent les corps flottants de les traverser.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel tous lesdits corps flottants ont sensiblement la même forme.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel lesdits corps flottants (8) sont réalisés dans une matière choisie parmi l'acier inox, le téflon, le borosilicate, le carbone, la céramique.
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel lesdits corps flottants ont une forme sphèrique, de préférence avec un diamètre compris entre 0.5 et 10 mm.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le volume occupé par la pluralité desdits corps flottants (8) est compris entre 3% et 12% du volume total du réservoir.
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le réservoir comprend un déflecteur de jet d'entrée (38) au voisinage de l'orifice d'entrée.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel 1 ' évaporateur (1) comprend une masse microporeuse (10) adaptée pour assurer un pompage capillaire de fluide en phase liquide.
11. Dispositif de transfert thermique selon l'une des revendications précédentes, principalement soumis à la gravité, dans lequel 1 ' évaporateur (1) est placé en dessous du condenseur (2) et du réservoir, de sorte que la gravité est utilisée pour déplacer le liquide vers 1 ' évaporateur .
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