FR2783313A1 - HEAT TRANSFER DEVICE - Google Patents
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Abstract
Un dispositif capable d'assurer la fonction d'évaporateur ou de condenser dans une boucle fluide à pompage capillaire et constitué d'un corps tubulaire (4) contenant une mèche capillaire (19) à une extrémité et un réservoir (18) à l'autre extrémité. Un lien capillaire tubulaire (20) draine le liquide depuis le réservoir (18) jusqu'à la mèche poreuse (19) de manière à la maintenir en permanence saturée en liquide. Le lien capillaire (20) est de préférence installé sur les parois internes du réservoir et s'étend jusqu'à la mèche. Il peut être fabriqué en plastique pour réduire les échanges thermiques entre le réservoir et le corps de l'échangeur thermique.Lorsque le dispositif est utilisé comme évaporateur, le liquide est introduit par le tube (27) qui traverse le réservoir (18) et le lien capillaire (20). Le flux thermique est transmis, par conduction dans le corps d'évaporateur (4), au liquide contenu dans la mèche poreuse (19) qui s'évapore et s'échappe par les rainures (10) qui tapissent la paroi interne du corps d'évaporateur.Lorsque le dispositif fonctionne en mode condenser, le flux thermique libéré par la condensation de la vapeur dans les rainures est transmis par conduction dans le corps du condenser au radiateur d'où il est extrait.A device capable of performing the function of evaporator or of condensing in a fluid loop with capillary pumping and consisting of a tubular body (4) containing a capillary wick (19) at one end and a reservoir (18) at the other end. A tubular capillary link (20) drains the liquid from the reservoir (18) to the porous wick (19) so as to keep it permanently saturated with liquid. The capillary link (20) is preferably installed on the internal walls of the reservoir and extends to the wick. It can be made of plastic to reduce heat exchange between the tank and the body of the heat exchanger. When the device is used as an evaporator, the liquid is introduced through the tube (27) which passes through the tank (18) and the capillary link (20). The heat flux is transmitted, by conduction in the evaporator body (4), to the liquid contained in the porous wick (19) which evaporates and escapes through the grooves (10) which line the internal wall of the body d When the device operates in condensing mode, the heat flux released by the condensation of steam in the grooves is transmitted by conduction in the body of the condenser to the radiator from which it is extracted.
Description
l Cette invention concerne un dispositif de transfert de chaleur. Il émaneThis invention relates to a heat transfer device. It emanates
du besoin pour les satellites en orbite autour de la terre de transférer de l'énergie thermique d'un coté chaud, radiateur face au soleil, vers un coté froid, radiateur à l'ombre. Ceci peut être obtenu en utilisant une boucle fluide à pompage capillaire constituée d'un ou plusieurs évaporateurs, coté chaud, et un ou plusieurs condenseurs coté froid reliés entre eux par des conduites comme le décrit la figure 1 du brevet francçais FR2723187. Il est à noter qu'un tel dispositif doit être conçu the need for satellites in orbit around the earth to transfer thermal energy from a hot side, radiator facing the sun, to a cold side, radiator in the shade. This can be obtained by using a capillary pumped fluid loop consisting of one or more evaporators, hot side, and one or more condensers cold side connected together by conduits as described in FIG. 1 of French patent FR2723187. It should be noted that such a device must be designed
pour fonctionner dans un environnement sans gravité. to operate in a harmless environment.
L'évolution du satellite sur son orbite conduit a une exposition solaire de chacune de ses faces variable en fonction du temps. (position relative par rapport au soleil dépend de la saison). Il est donc nécessaire de dupliquer les systèmes de transfert de chaleur pour qu'ils puissent fonctionner dans des directions opposées. Cependant une telle duplication a pour conséquence de dupliquer la masse et par voie de conséquence de réduire d'autant la masse maximale de la charge utile que le satellite peut emporter. Un autre problème lié à l'utilisation de deux boucle fluides séparées concerne la duplication des interfaces thermiques nécessaires pour la collecte et la dissipation de la chaleur ce qui, compte tenu de la faible place disponible a bord d'un satellite, rend ce concept peu attractif L'utilisation de deux boucles fluides impose également l'utilisation d'une quantité de fluide caloporteur deux fois plus importante, ce qui compte tenu du caractère corrosif et toxique du liquide généralement employé (ammoniac), représente un risque supplémentaire en cas de fuite sur le satellite ainsi que pendant The evolution of the satellite in its orbit leads to a solar exposure of each of its faces variable as a function of time. (relative position in relation to the sun depends on the season). It is therefore necessary to duplicate the heat transfer systems so that they can operate in opposite directions. However, such a duplication has the consequence of duplicating the mass and consequently reducing the maximum mass of the payload by the same amount as the satellite can carry. Another problem linked to the use of two separate fluid loops relates to the duplication of the thermal interfaces necessary for the collection and dissipation of heat which, given the small space available on board a satellite, makes this concept little attractive The use of two fluid loops also requires the use of a quantity of heat transfer fluid twice as large, which taking into account the corrosive and toxic character of the liquid generally used (ammonia), represents an additional risk in the event of leakage on the satellite as well as during
les opérations de fabrication, manutention et essais. manufacturing, handling and testing operations.
Le brevet français Réf. 2723187 décrit un moyen d'éviter le besoin de duplication d'un tel dispositif. Il décrit sur la figure 2-6 une boucle fluide capillaire réversible. En utilisant une simple boucle, la chaleur est automatiquement transportée, quelque soit la direction, du coté chaud vers le coté froid. Néanmoins, malgré que le fonctionnement désiré est obtenu avec une seule boucle, le nombre et par conséquent la masse des composants d'une telle boucle ne sont pas très inférieurs à ceux d'un système constitué de deux simples boucles inversées. Ceci parce qu'un tel système doit comporter un évaporateur et un condenser du coté chaud et également du coté froid. Dans ce cas, l'évaporateur situé du coté momentanément froid est inutile et le condenseur situé du coté temporairement The French patent Ref. 2723187 describes a means of avoiding the need for duplication of such a device. Figure 2-6 describes a reversible capillary fluid loop. Using a simple loop, the heat is automatically transported, whatever the direction, from the hot side to the cold side. However, despite the fact that the desired operation is obtained with a single loop, the number and therefore the mass of the components of such a loop are not much less than those of a system consisting of two simple inverted loops. This is because such a system must include an evaporator and a condenser on the hot side and also on the cold side. In this case, the evaporator located on the temporarily cold side is useless and the condenser located on the temporarily side
chaud l'est également.hot is too.
Le brevet français Réf.2723187 envisage la possibilité qu'un évaporateur peut également fonctionner en tant que condenseur, mais un tel French patent Ref. 2723187 envisages the possibility that an evaporator can also function as a condenser, but such
système n'a, à la connaissance des inventeurs, jamais été essayé en pratique. To the knowledge of the inventors, the system has never been tried in practice.
Le brevet WO97/00416 décrit une boucle fluide à pompage capillaire possédant une rampe d'évaporateurs connectés en parallèle du coté chaud d'o est extraite la chaleur. Un réservoir, thermiquement isolé des évaporateurs, est connecté à chaque évaporateur par l'intermédiaire d'un lien capillaire. Ceci assure une alimentation continue en liquide de la mèche capillaire de l'évaporateur pour Patent WO97 / 00416 describes a capillary pumped fluid loop having a ramp of evaporators connected in parallel on the hot side from which the heat is extracted. A tank, thermally isolated from the evaporators, is connected to each evaporator via a capillary link. This ensures a continuous supply of liquid to the capillary wick of the evaporator for
l'évaporation.evaporation.
Les inventeurs ont reconnu qu'un avantage inattendu peut être obtenu avec l'utilisation, dans une boucle réversible, d'un lien capillaire dont la fonction The inventors have recognized that an unexpected advantage can be obtained with the use, in a reversible loop, of a capillary link whose function
est similaire à celle du WO97/00416. is similar to that of WO97 / 00416.
L'avantage est que lorsqu'un des échangeurs est utilisé (ou va être utilisé) en mode condenser, le lien capillaire garantit que la mèche est saturée en liquide et par conséquent ne peut pas généré un effet parasite de pompage capillaire s'opposant au pompage capillaire nominal généré par l'échangeur situé du coté chaud. Pour obtenir cet effet il est bien évidemment nécessaire d'avoir un The advantage is that when one of the exchangers is used (or will be used) in condensing mode, the capillary link guarantees that the wick is saturated with liquid and therefore cannot generate a parasitic capillary pumping effect opposing the nominal capillary pumping generated by the exchanger located on the hot side. To obtain this effect it is obviously necessary to have a
réservoir sur chacun des deux échangeurs. tank on each of the two exchangers.
Donc, avec cette invention, on obtient une boucle fluide réversible à pompage capillaire utilisée pour le transfert thermique entre deux zones, comprenant de chaque coté un échangeur destiné à vaporiser le fluide de travail lorsque son rôle est d'extraire de la chaleur et de condenser ce même fluide de travail lorsque son rôle est de restituer de la chaleur, chacun de ces échangeurs comprend un matériau capillaire et un ou plusieurs canaux associés au matériau capillaire destinés à la collecte de la vapeur qui s'en échappe lors de la vaporisation lorsque l'échangeur fonctionne en mode évaporateur et pour l'extraction du liquide lors de la condensation lorsque l'échangeur fonctionne en mode condenser; caractérisé par le fait que chaque échangeur comprend un réservoir dans lequel le matériau capillaire s'étend, le volume des réservoirs et la quantité de fluide de travail introduit dans la boucle son déterminés de telle manière à être sur qu'il y a en permanence une quantité suffisante de liquide dans le réservoir pour maintenir la Therefore, with this invention, a reversible capillary pumping loop is obtained used for heat transfer between two zones, comprising on each side an exchanger intended to vaporize the working fluid when its role is to extract heat and to condense this same working fluid when its role is to restore heat, each of these exchangers comprises a capillary material and one or more channels associated with the capillary material intended for collecting the vapor which escapes therefrom during vaporization when the the exchanger operates in evaporator mode and for the extraction of the liquid during condensation when the exchanger operates in condensing mode; characterized in that each exchanger comprises a reservoir in which the capillary material extends, the volume of the reservoirs and the quantity of working fluid introduced into the loop are determined so as to be sure that there is always a sufficient amount of liquid in the reservoir to maintain the
mèche poreuse en saturation.porous wick in saturation.
En s'assurant que la boucle contient la bonne quantité de fluide de travail, il est possible de s'arranger pour avoir en permanence assez de liquide dans By ensuring that the loop contains the right amount of working fluid, it is possible to arrange to have always enough liquid in
le réservoir pour maintenir la mèche capillaire saturée et donc la pompe amorcée. the reservoir to keep the capillary wick saturated and therefore the pump primed.
Du coté chaud, les bulles de vapeur sont évacuées vers le réservoir ou elles se condensent. Il y a ainsi peu de risque que les bulles pénètrent dans la mèche capillaire. L'action capillaire a effectivement pour effet d'empêcher l'entrée de bulles de gaz et de favoriser au contraire l'absorption du liquide. Du coté froid, la saturation de la mèche poreuse en liquide provenant du réservoir va assurer sa On the warm side, the steam bubbles are evacuated to the tank where they condense. There is thus little risk that the bubbles penetrate into the capillary wick. The capillary action effectively has the effect of preventing the entry of gas bubbles and, on the contrary, of promoting the absorption of the liquid. On the cold side, the saturation of the porous wick with liquid coming from the tank will ensure its
passivité hydrostatique, c'est à dire qu'aucun pompage capillaire ne survienne. hydrostatic passivity, ie no capillary pumping occurs.
Chaque échangeur comprend une enveloppe tubulaire réalisée en matériau à haute conduction thermique portant les canaux décrits ci-dessus ouverts sur la paroi interne de l'enveloppe. Ceci permet à la chaleur d'être extraite de la vapeur contenue dans les canaux lorsque l'échangeur fonctionne en mode condenser. Les canaux sont préférentiellement localisés dans la première partie de l'enveloppe alors que l'autre partie constitue le réservoir. Le matériau conducteur de la chaleur utilisé pour réaliser l'enveloppe est de préférence un alliage qui permette d'obtenir les rainures par extrusion et ainsi permet de réduire la masse. La mèche capillaire doit, de préférence, également être cylindrique de manière à pouvoir être introduite dans l'enveloppe avec un contact intime au moins dans la Each exchanger comprises a tubular envelope made of a material with high thermal conduction carrying the channels described above open on the internal wall of the envelope. This allows heat to be extracted from the steam contained in the channels when the exchanger is operating in condensing mode. The channels are preferably located in the first part of the envelope while the other part constitutes the reservoir. The heat conducting material used to make the envelope is preferably an alloy which makes it possible to obtain the grooves by extrusion and thus makes it possible to reduce the mass. The capillary wick should preferably also be cylindrical so that it can be introduced into the envelope with intimate contact at least in the
première partie telle que définit ci-dessus. first part as defined above.
La mèche capillaire peut être réalisée en une seule partie mais est de préférence réalisée sous la forme d'une mèche capillaire à structure fine (très faible diamètre de pores) pour obtenir un pompage capillaire élevé; et d'un lien capillaire séparé, de structure plus grossière dont le rôle est uniquement d'alimenter la mèche capillaire avec le fluide provenant du réservoir. Dans cette configuration, le lien The capillary wick can be produced in a single part but is preferably produced in the form of a capillary wick with a fine structure (very small pore diameter) to obtain a high capillary pumping; and a separate capillary link, of coarser structure whose role is only to supply the capillary wick with the fluid coming from the reservoir. In this configuration, the link
capillaire est de préférence réalisé en plastique comme par exemple le polyethylène. capillary is preferably made of plastic such as for example polyethylene.
Un avantage lié à l'utilisation du plastique est sa faible conductivité thermique qui An advantage linked to the use of plastic is its low thermal conductivity which
permet d'isoler le réservoir du reste de l'échangeur et donc de la source de chaleur. isolates the tank from the rest of the exchanger and therefore from the heat source.
Un autre avantage est que le plastique est plus léger que les autres matériaux comme l'acier inox. De préférence ce matériau capillaire recouvre également la Another advantage is that plastic is lighter than other materials like stainless steel. Preferably, this hair material also covers the
paroi interne du réservoir et isole ainsi son contenu. inner wall of the tank and thus isolates its contents.
L'idée d'utiliser, pour cette application, un matériau poreux synthétique comme le plastique, qui est un isolant thermique, présente un avantage en mode évaporateur mais aussi en mode condenseur et constitue donc un second The idea of using, for this application, a porous synthetic material such as plastic, which is a thermal insulator, has an advantage in evaporator mode but also in condenser mode and therefore constitutes a second
avantage de cette invention comme ceci est expliqué dans les paragraphes suivants. advantage of this invention as explained in the following paragraphs.
Conformément au second aspect de cette invention, il s'agit d'un évaporateur utilisé dans un systrème de transfert thermique de type 'boucle fluide à pompage capillaire' constitué d'un réservoir, d'une mèche capillaire destinée à fournir l'effet de pompage, conçu pour transmettre la chaleur à la mèche afin d'evaporer le liquide qu'elle contient, et d'un lien capillaire dont le rôle est d'alimenter la mèche en liquide provenant du réservoir dont la particularité est In accordance with the second aspect of this invention, it is an evaporator used in a thermal transfer system of the “capillary pumped fluid loop” type consisting of a reservoir, a capillary wick intended to provide the effect of pumping, designed to transmit heat to the wick in order to evaporate the liquid it contains, and a capillary link whose role is to supply the wick with liquid coming from the reservoir whose particularity is
d'être réalisé en plastique.to be made of plastic.
Le lien capillaire peut être usiné à partir d'un barreau de poudre frittée, ex. poudre de polyethylene, les formes de ses surfaces externes sont façonnées de telle sorte a obtenir un contact sérre avec les surfaces internes du réservoir et de la The capillary link can be machined from a rod of sintered powder, e.g. polyethylene powder, the shapes of its external surfaces are shaped so as to obtain a tight contact with the internal surfaces of the tank and the
mèche capillaire.capillary wick.
La mèche capillaire est, de préférence, alésée sur sa longueur de telle manière à ménager un passage entre le réservoir et la partie de l'enveloppe qui la The capillary wick is preferably bored along its length so as to provide a passage between the reservoir and the part of the envelope which
contient.contains.
Dans cette configuration, un tube interne, servant à la circulation du liquide provenant du condenseur, relie l'une des extrémité de l'enveloppe à l'utre extrémité en traversant le réservoir et le lien capillaire de telle manière que le liquide injecté par la conduite d'alimentation coule en sens inverse dans l'alésage mentionné ci- dessus avant d'être absorbé par le matériau capillaire. La circulation en sens inverse permet de repousser les éventuelles bulles vers le réservoir. De plus, le fait que le diamètre de ce tube est très faible augmente la vitesse du fluide, In this configuration, an internal tube, used for the circulation of the liquid coming from the condenser, connects one end of the envelope to the other end by crossing the reservoir and the capillary link in such a way that the liquid injected by the supply line flows in the opposite direction into the above-mentioned bore before being absorbed by the capillary material. Reverse circulation pushes any bubbles back to the tank. In addition, the fact that the diameter of this tube is very small increases the speed of the fluid,
ce qui évite qu'il soit réchauffé et que se forment ainsi des bulles. which prevents it from being reheated and bubbles forming.
L'intérêt du tube interne mentionné ci-dessus est indépendant des spécificités 1 et 2 de l'invention décrites précédament, il y a donc une troisième The advantage of the internal tube mentioned above is independent of the specificities 1 and 2 of the invention described above, there is therefore a third
spécificité de cette invention qui est décrite dans les paragraphes suivants. specificity of this invention which is described in the following paragraphs.
Conformément au troisième aspect de cette invention, il s'agit d'un évaporateur utilisé dans un systrème de transfert thermique de type 'boucle fluide à pompage capillaire' constitué d'une mèche capillaire possédant une surface externe à partir de laquelle le fluide vaporisé est capté puis absorbé par capillarité jusqu'au coeur de la mèche, et un réservoir dont la particularité est de permettre l'introduction du liquide à l'extrémité de la cavité, située loin du réservoir, de telle manière qu'au moins une partie de ce liquide traverse la cavité en allant vers le According to the third aspect of this invention, it is an evaporator used in a heat transfer system of the “capillary pumped fluid loop” type consisting of a capillary wick having an external surface from which the vaporized fluid is captured and then absorbed by capillary action up to the heart of the wick, and a reservoir whose particularity is to allow the introduction of the liquid at the end of the cavity, located far from the reservoir, in such a way that at least part of this liquid crosses the cavity going towards the
réservoir avant d'être absorbé par la mèche. tank before being absorbed by the wick.
Une description concrète de cette invention va maintenant être faite au A concrete description of this invention will now be given to the
moyen d'exemples qui font référence aux dessins joints: Figure I montre une boucle fluide réversible à pompage capillaire constituée de 2 échangeurs, chacun construits selon les principes de cette invention et conçue pour être installée à différentes places dans un satellite de telle manière à means of examples which refer to the attached drawings: Figure I shows a reversible fluid capillary pumping loop consisting of 2 exchangers, each constructed according to the principles of this invention and designed to be installed in different places in a satellite so as to
assurer le transfert de chaleur du coté le plus chaud vers le coté le plus froid. ensure heat transfer from the warmest side to the coldest side.
Figure 2 est une coupe suivant la ligne II-II de la figure 1, et Figure 3 est une vue détaillée, à plus grande échelle, de deux des canaux portant la référence 10 sur la figure 2. Pour simplifier les explications, les élements situés du coté gauche de la ligne X de la figure 3 sont considérés comme assurant la fonction d'évaporateur alors que les élements du coté droit sont considérés comme assurant la fonction de condenseur. Il doit être compris que, en pratique, tous les canaux peuvent servir a n'importe quel moment pour Figure 2 is a section along line II-II of Figure 1, and Figure 3 is a detailed view, on a larger scale, of two of the channels marked with the reference 10 in Figure 2. To simplify the explanations, the elements located on the left side of line X in Figure 3 are considered to provide the evaporator function while the elements on the right side are considered to provide the condenser function. It should be understood that, in practice, all channels can be used at any time to
l'évaporation ou pour la condensation. evaporation or for condensation.
L'équipement de transfert thermique illustré comprend 2 échangeurs 1 localisés respectivement aux positions 2 et 3 de la figure 3. Les échangeur 1 étant identiques, l'un d'entre eux seulement sera décrit. Il est constitué d'un corps 4 métallique dont la nuance est choisit pour sa conductivité thermique et pour sa faculté a pouvoir être extrudé. Il a en général une forme cylindrique avec une première extrémité portant un orifice 5 et une seconde extremité portant un orifice 6 usiné dans un flasque fileté 7. L'enveloppe tubulaire 4 comporte une partie 8 de faible diamètre et porte une semelle 9 servant de support mécanique qui permet également de transférer la chaleur de ou vers une partie ou un équipement du satellite. La surface interne du tube 8 est recouiverte d'un grand nombre de rainures 10 comme le montre la figure 2. Ces rainures sont parallèles à l'axe du The illustrated heat transfer equipment comprises 2 exchangers 1 located respectively in positions 2 and 3 of FIG. 3. The exchanger 1 being identical, only one of them will be described. It consists of a metallic body 4, the shade of which is chosen for its thermal conductivity and for its ability to be able to be extruded. It generally has a cylindrical shape with a first end carrying an orifice 5 and a second end carrying an orifice 6 machined in a threaded flange 7. The tubular casing 4 has a portion 8 of small diameter and carries a sole 9 serving as a support mechanical which also allows heat to be transferred to or from part or equipment of the satellite. The internal surface of the tube 8 is covered with a large number of grooves 10 as shown in FIG. 2. These grooves are parallel to the axis of the
corps 4.body 4.
La configuration des rainures est mieux illustrée sur la figure 3, elles The configuration of the grooves is better illustrated in Figure 3, they
sont conçues pour pouvoir être obtenues soit par extrusion soit par éléctro- are designed to be obtainable either by extrusion or by electro-
érosion. Chaque rainure possède un coté ouvert 1l 1 dont la largeur est légèrement erosion. Each groove has an open side 1l 1 whose width is slightly
inférieur à la moitié de la largeur des dents 12 situées entre deux rainures. less than half the width of the teeth 12 located between two grooves.
Deux plans divergents 13 issus du coté ouvert 11 viennent tangenter au point P le fond circulaire 14 de la rainure. De cette façon les surfaces 13 et 14 se rejoignent sans former aucun angle vif En référence a la figure 1, un alésage interne est usiné dans le corps 4 de telle manière a former des épaulements 15, 16 et 17. L'épaulement 17 forme un angle aigu avec l'axe du corps 4 et est aligné avec l'épaulement correspondant 17A de la surface extérieur du corps 4. Les épaulements 17 et 17A séparent la partie cylindrique 8, de faible diamètre, située a l'une des extrémité du corps 4 de la partie 18, de plus grand diamètre, située du coté opposé. Cette partie 18, plus large, sert de réservoir pour le fluide de travail. Son volume est plus grand que celui de la partie voisine 8 du corps 4 et le volume total de tous les réservoirs de la Two divergent planes 13 coming from the open side 11 come to tangent at point P the circular bottom 14 of the groove. In this way the surfaces 13 and 14 meet without forming any sharp angle With reference to FIG. 1, an internal bore is machined in the body 4 in such a way as to form shoulders 15, 16 and 17. The shoulder 17 forms a acute angle with the axis of the body 4 and is aligned with the corresponding shoulder 17A of the external surface of the body 4. The shoulders 17 and 17A separate the cylindrical part 8, of small diameter, located at one end of the body 4 of part 18, of larger diameter, located on the opposite side. This part 18, which is wider, serves as a reservoir for the working fluid. Its volume is greater than that of the neighboring part 8 of the body 4 and the total volume of all the tanks of the
boucle atteint plus de la moitié du volume du fluide contenu dans la boucle. loop reaches more than half the volume of the fluid contained in the loop.
Le corps 4 contient un dispositif capillaire constitué de deux parties tubulaires distinctes 19, 20. Le partie 19, référencée sous le nom de 'mèche', est une structure capillaire relativement fine (faible diamètre de pores) de telle manière à permettre le développement d'un effet de pompage capillaire élevé. Dans l'illustration concrète elle est réalisée a partir de poudre de PTFE frittée sous la forme d'une pièce rigide poreuse dont le diamètre des pores est de l'ordre de 2,5mrnm. Les autres matériaux qui peuvent convenir sont les métaux frittés tels que par exemple le cuivre, les toiles en acier inox, le molybdène, le tungstène, le titane ou le nickel; ainsi que les céramiques frittées et d'une manière générale toutes les structures à porosité ouverte, les mousses et les thermo-plastiques (polymères) qui The body 4 contains a capillary device consisting of two separate tubular parts 19, 20. The part 19, referred to as the 'wick', is a relatively fine capillary structure (small pore diameter) so as to allow the development of '' a high capillary pumping effect. In the concrete illustration, it is made from sintered PTFE powder in the form of a rigid porous part whose pore diameter is of the order of 2.5 mm. Other materials which may be suitable are sintered metals such as, for example, copper, stainless steel fabrics, molybdenum, tungsten, titanium or nickel; as well as sintered ceramics and in general all structures with open porosity, foams and thermo-plastics (polymers) which
peuvent être chargés de verre.can be loaded with glass.
La mèche 19 est usinée à la forme demandée. Elle a un épaulement 21 sur sa surface externe qui vient en contact avec l'épaulement 15 de la surface interne du corps 4 de telle manière à la positionner co- axialement. L'alésage interne de la mèche 19 est évasé à son extrémité ouverte pour recevoir une férule conique 22. Un bouchon fileté 23 est vissé dans une partie taraudée du corps 4 située entre les épaulement 16 et 17 de telle manière à exercer une pression axiale sur la ferrule 22, afin d'assurer une étanchéité en pressant la mèche poreuse 19 The drill bit 19 is machined to the requested shape. It has a shoulder 21 on its external surface which comes into contact with the shoulder 15 of the internal surface of the body 4 so as to position it coaxially. The internal bore of the drill bit 19 is flared at its open end to receive a conical ferrule 22. A threaded plug 23 is screwed into a threaded part of the body 4 located between the shoulders 16 and 17 so as to exert an axial pressure on the ferrule 22, in order to ensure a seal by pressing the porous wick 19
contre la paroi interne du corps 4.against the inner wall of the body 4.
Le lien capillaire 20 est, dans l'exemple illustré, fabriqué selon le même procédé que celui utilisé pour la mèche 19 mais à partir de poudre de polyethylène frittée et a un diamètre de pores de l'ordre de 105mm, la structure poreuse est donc plus grossière. Il possède une partie relativement étroite 24 en contact intime avec l'alésage interne de la pièce 19, ce qui peut être obtenu grâce à l'élasticité naturelle du plastique, cette pièce s'étend d'une extrémité ouverte jusqu'à l'épaulement 26 qui est localisée contre l'épaulement 17 du corps 4. L'épaulement 26 mène à une partie large 25 du lien capillaire 20 qui est localisé contre la paroi interne de la partie large du corps 4. Le lien 20 est maintenu en position axiale par The capillary link 20 is, in the example illustrated, manufactured according to the same process as that used for the wick 19 but from sintered polyethylene powder and has a pore diameter of the order of 105 mm, the porous structure is therefore coarser. It has a relatively narrow part 24 in intimate contact with the internal bore of the part 19, which can be obtained thanks to the natural elasticity of the plastic, this part extends from an open end to the shoulder. 26 which is located against the shoulder 17 of the body 4. The shoulder 26 leads to a wide part 25 of the capillary link 20 which is located against the internal wall of the wide part of the body 4. The link 20 is held in the axial position through
le bouchon 7.the cap 7.
Dans des solutions alternatives, le lien capillaire 20 peut être fabriqué à In alternative solutions, the capillary link 20 can be manufactured at
partir d'autres nuances de plastique qui peuvent être chargées en verre. from other shades of plastic that can be loaded into glass.
Le bouchon 7 supporte également la conduite 27 qui s'étend le long de l'axe du corps 4 en reliant l'orifice 6 a un point proche de l'extrémité ouverte du lien capillaire 20. Son diamètre extérieur est significativement inférieur à celui du diamètre intérieur de la partie étroite du lien 20 de telle manière à ménager un passage entre ces deux pièces pour la circulation du fluide. Il est maintenu dans sa position axiale grâce à sa forme tortillée qui le met en contact avec la surface interne du lien 20 tout en maintenant un espace entre ce tube 27 et ladite surface interne. Le fonctionnement du dispositif va maintenant être décrit en faisant The plug 7 also supports the pipe 27 which extends along the axis of the body 4 by connecting the orifice 6 to a point close to the open end of the capillary link 20. Its outside diameter is significantly less than that of the inside diameter of the narrow part of the link 20 so as to provide a passage between these two parts for the circulation of the fluid. It is kept in its axial position thanks to its twisted shape which brings it into contact with the internal surface of the link 20 while maintaining a space between this tube 27 and said internal surface. The operation of the device will now be described by making
l'hypothèse que la condition de démarrage est que tout est à la même température. the assumption that the starting condition is that everything is at the same temperature.
La quantité de fluide de travail, qui est de l'ammoniaque dans le système présenté, est suffisant pour garantir que sur une large plage de températures il y a toujours assez de liquide dans le réservoir 18 pour saturer la mèche poreuse 19 et le drain The amount of working fluid, which is ammonia in the system presented, is sufficient to ensure that over a wide range of temperatures there is always enough liquid in the reservoir 18 to saturate the porous wick 19 and the drain
capillaire 20.capillary 20.
En faisant l'hypothèse que l'échangeur localisé en position 1 devient plus chaud que celui en position 2, la chaleur est transmise de la source chaude, à Assuming that the exchanger located in position 1 becomes hotter than that in position 2, the heat is transmitted from the hot source, to
travers la semelle 9, aux dents 12 en forme d'ailettes entre les rainures 10. through the sole 9, the teeth 12 in the form of fins between the grooves 10.
L'élasticité naturelle du plastique utilisé pour la fabrication de la mèche 19 la maintient en contact avec les ailettes 12 et la chaleur est donc parfaitement transmise par conduction des ailettes au liquide contenu dans les pores de la mèche capillaire 19. Ceci provoque l'évaporation du liquide sous les ailettes dans la région 28 prés de la surface de la mèche 19, comme le montre la zone au dessus de la ligne 28A à gauche de la figure 3. A noter que sur les figures, les zones occupées The natural elasticity of the plastic used for the manufacture of the wick 19 keeps it in contact with the fins 12 and the heat is therefore perfectly transmitted by conduction of the fins to the liquid contained in the pores of the capillary wick 19. This causes evaporation liquid under the fins in the region 28 near the surface of the wick 19, as shown by the zone above the line 28A on the left of FIG. 3. Note that in the figures, the zones occupied
par le liquide sont représentées par des lignes horizontales. by the liquid are represented by horizontal lines.
La vapeur est collectée, comme indiqué par les flèches sur la figure 3, par les canaux 10 et transmise ensuite par ces mêmes canaux longitudinaux à l'orifice 5. Le pompage capillaire amène le complément de liquide dans la mèche capillaire 19, ce liquide arrive en partie par le lien capillaire 20 alimenté par le réservoir 18 et en partie directement par le tube 27. Parce que la quantité de liquide dans le réservoir est constamment suffisante pour saturer les éléments poreux, les éventuelles bulles de vapeur se trouvant dans la partie étroite 24 du lien 20 ne peuvent pas y être absorbées. De telles bulles vont être évacuées vers le réservoir, plus froid, o elles vont se condenser. Le lien 20 joue ainsi le rôle d'un simple caloduc entre le corps relativement chaud 4 et le réservoir plus froid 18. Il maintien un débit de liquide dans la mèche poreuse 19 et favorise l'extraction des bulles de vapeur acheminées vers le réservoir, ce dernier effet agit de manière concomitante The vapor is collected, as indicated by the arrows in FIG. 3, through the channels 10 and then transmitted by these same longitudinal channels to the orifice 5. The capillary pumping brings the additional liquid into the capillary wick 19, this liquid arrives partly by the capillary link 20 supplied by the reservoir 18 and partly directly by the tube 27. Because the quantity of liquid in the reservoir is constantly sufficient to saturate the porous elements, any vapor bubbles being in the narrow part 24 of link 20 cannot be absorbed there. Such bubbles will be evacuated to the cooler tank, where they will condense. The link 20 thus plays the role of a simple heat pipe between the relatively hot body 4 and the colder reservoir 18. It maintains a flow of liquid in the porous wick 19 and promotes the extraction of the bubbles of vapor conveyed to the reservoir, this last effect acts concomitantly
avec le débit de liquide du tube 27 (décrit plus tard). with the liquid flow rate from tube 27 (described later).
La température du réservoir 18, situé du coté chaud, détermine la température de saturation du fluide de travail et doit donc être contrôlée. Dans le dispositif illustré, cette température est autocontrôlée par l'équilibre thermique obtenu entre les flux parasites transférés: dans le corps 4; par les bulles de vapeur repoussées vers le réservoir; par le liquide sous-refroidi en provenance du condenseur; et par les fuites thermiques résultants des échanges avec l'environnement externe. Une particularité notable est que le flux thermique provenant de la semelle 9 et transmis au liquide contenu dans le réservoir est limité par l'utilisation pour le lien 20 d'un matériau isolant. Il constitue en plus un revêtement isolant sur la surface interne du réservoir. Dans certaines applications un système de contrôle de température actif peut être utilisé. Dans ce cas, il s'agit de cellules à effet Peltier, de réchauffeurs, de surfaces radiatives dédiées, etc. Les matériaux et la conception de ce dispositif doivent donc être permettre de limiter The temperature of the reservoir 18, located on the hot side, determines the saturation temperature of the working fluid and must therefore be controlled. In the illustrated device, this temperature is self-controlled by the thermal equilibrium obtained between the parasitic fluxes transferred: in the body 4; by vapor bubbles pushed back to the tank; by the sub-cooled liquid coming from the condenser; and by thermal leaks resulting from exchanges with the external environment. A notable feature is that the heat flow from the sole 9 and transmitted to the liquid contained in the reservoir is limited by the use for the link 20 of an insulating material. It also constitutes an insulating coating on the internal surface of the tank. In some applications an active temperature control system can be used. In this case, these are Peltier cells, heaters, dedicated radiative surfaces, etc. The materials and the design of this device must therefore be able to limit
les échanges thermiques parasites.parasitic heat exchanges.
La vapeur sortant de l'orifice 5 est transportée par l'intermédiaire d'un tube à l'orifice homologue de l'échangeur localisé en position 3 d'o elle entre dans les rainures 10. Au début de chaque rainure, le fluide est entièrement vaporisé mais se condense progressivement le long des rainures pour finir entièrement liquide à l'autre extrémité. La situation prés de l'entrée vapeur est illustrée à droite de la figure 3, o l'on peut observer la formation d'un film de condensation très fin noté C sur toute la surface de la rainure libérant ainsi au cours du changement de phase une grande quantité d'énergie thermique qui est transmise par conduction au corps 8. L'uniformité de ce film représente un avantage considérable par rapport aux concepts d'évaporateurs à rainures rectangulaires ou en queue d'arondes dont les angles sont des points d'accumulation de liquide. Dans ces concepts, l'accumulation de liquide dans les angles réduit la taille de la surface par laquelle l'énergie thermique passe du liquide à la paroi et augmente l'épaisseur du film liquide qui agit alors comme un isolant limitant les échanges entre la vapeur et le The steam leaving the orifice 5 is transported via a tube to the homologous orifice of the exchanger located in position 3 from where it enters the grooves 10. At the start of each groove, the fluid is fully vaporized but gradually condenses along the grooves to end up completely liquid at the other end. The situation near the steam inlet is illustrated on the right of Figure 3, where we can observe the formation of a very fine condensing film denoted C over the entire surface of the groove thus freeing during the phase change a large amount of thermal energy which is transmitted by conduction to the body 8. The uniformity of this film represents a considerable advantage compared to the concepts of evaporators with rectangular grooves or in dovetails whose angles are points of accumulation of liquid. In these concepts, the accumulation of liquid in the corners reduces the size of the surface through which the thermal energy passes from the liquid to the wall and increases the thickness of the liquid film which then acts as an insulator limiting the exchanges between the vapor and the
corps 4, ce qui nuit au transfert de chaleur. body 4, which interferes with heat transfer.
Dans le concept présenté, les seuls coins susceptibles d'attirer le liquide sont ceux, montrés en C, formés entre la partie métallique 8 et la mèche capillaire 19, de cette manière, la surface métallique en contact thermique avec la vapeur est aussi grande que possible et le fluide après condensation en est évacué le plus rapidement possible. Le liquide pénètre alors dans la mèche qui est entièrement saturée compte tenu de sa température, de même la partie 8 du corps est également plus froide que la température de saturation du fluide. Il n'est, par conséquent pas possible qu'un effet de pompage capillaire puisse se développer dans les éléments 19 et 20 qui restent totalement passifs lorsque l'échangeur fonctionne en mode condenseur. Le condenseur est donc d'un point de vue hydraulique totalement passif, le liquide y circule uniquement sous l'effet des forces capillaires qui se sont In the concept presented, the only corners capable of attracting the liquid are those, shown at C, formed between the metal part 8 and the capillary wick 19, in this way, the metal surface in thermal contact with the vapor is as large as possible and the fluid after condensation is removed as quickly as possible. The liquid then enters the wick which is fully saturated given its temperature, likewise part 8 of the body is also cooler than the saturation temperature of the fluid. It is therefore not possible that a capillary pumping effect can develop in the elements 19 and 20 which remain completely passive when the exchanger operates in condenser mode. The condenser is therefore from a completely passive hydraulic point of view, the liquid circulates there only under the effect of the capillary forces which have
développées dans l'évaporateur.developed in the evaporator.
Le liquide condensé est drainé vers le réservoir ou passe directement dans le tube 27 d'o il est extrait par l'orifice 6 de l'échangeur localisé en 2. Le faible diamètre du tube 27 fait en sorte que le liquide traverse le réservoir, relativement chaud, avec une vitesse relativement élevée ce qui évite qu'il puisse s'y évaporer. Le risque de voir entrer des bulles dans les éléments poreux de l'évaporateur est ainsi considérablement réduit et une éventuelle formation de bulle serait transportée par le débit inverse du liquide depuis l'extrémité ouverte du tube The condensed liquid is drained towards the reservoir or passes directly into the tube 27 from where it is extracted by the orifice 6 of the exchanger located at 2. The small diameter of the tube 27 ensures that the liquid passes through the reservoir, relatively hot, with a relatively high speed which prevents it from evaporating there. The risk of bubbles entering the porous elements of the evaporator is thus considerably reduced and possible bubble formation would be transported by the reverse flow of the liquid from the open end of the tube.
27 jusqu'au réservoir.27 to the tank.
Lorsque le gradient de température entre les échangeurs 1 s'inverse, leur rôle s'inverse automatiquement, l'élément 20 assure rapidement la saturation When the temperature gradient between the exchangers 1 reverses, their role is automatically reversed, the element 20 quickly ensures saturation
de la microstructure capillaire 19.of the capillary microstructure 19.
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