WO1996004517A1 - Systeme de transfert d'energie entre une source chaude et une source froide - Google Patents

Systeme de transfert d'energie entre une source chaude et une source froide Download PDF

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WO1996004517A1
WO1996004517A1 PCT/FR1995/001004 FR9501004W WO9604517A1 WO 1996004517 A1 WO1996004517 A1 WO 1996004517A1 FR 9501004 W FR9501004 W FR 9501004W WO 9604517 A1 WO9604517 A1 WO 9604517A1
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capillary
liquid
source
vapor
evaporator
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PCT/FR1995/001004
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Inventor
Thierry Maciaszek
Hervé HUXTAIX
Michel Feuillatre
Jacques Mauduyt
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Centre National D'etudes Spatiales
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—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
    • 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
    • F28D15/04—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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an energy transfer system between a hot source and a cold source, using a two-phase capillary pumping loop.
  • Two-phase capillary pumping loops take advantage of the following physical phenomenon: if a liquid with suitable properties is sent to one end of a heated capillary tube, this liquid enters the capillary tube to a point where it totally vaporizes.
  • the separation surface of the liquid and vapor phases has a curved shape, and is called "meniscus".
  • meniscus One observes, at the level of the meniscus, in the vapor phase, an appreciable increase in pressure, which can be used to put the fluid in circulation in a closed circuit comprising, besides evaporator capillaries, a suitable condenser.
  • a capillary mass that is to say a material having an open porosity with passages of substantially homogeneous dimensions, typically 2 to 20 micrometers.
  • This increase in pressure results from phenomena of surface tension. It depends on the temperature and the nature of the fluid and the solid walls with which it is in contact, and it is inversely proportional to the radius of the meniscus, or to the equivalent radius in the case where the meniscus is not spherical.
  • the radius of the meniscus or the equivalent radius are themselves very closely linked to the radius of the capillary, and more generally to the radius of curvature of the solid surface in contact with which the change of state takes place.
  • the increase in pressure is therefore negligible if the liquid-vapor interface is in contact with solid surfaces having radii of curvature of a few hundreds of micrometers.
  • capillary evaporators and condensers we speak of capillary evaporators and condensers. These terms can each time apply to groups of capillary evaporators or condensers arranged in parallel in the closed circuit.
  • the pressure generated at the menisci was around 5 kPa, which is enough to compensate for the pressure drops in the circuit.
  • the condensers could be constituted either by radiators which radiate energy towards space, or by exchangers coupled with other similar systems, or by devices with phase change such as boilers or evaporators.
  • the present invention aims to provide an apparatus which allows energy transfers in two opposite directions, in a simple manner and in a limited volume.
  • the invention provides a system for transferring energy between a hot source and a cold source, the system comprising a capillary evaporator located in the hot source and into which a fluid is introduced in the liquid state and passes fully in the vapor state, a vapor conduit, a condenser located in the cold source where the fluid returns to the liquid state, and a liquid conduit which brings the fluid to the capillary evaporator, the fluid circulating in a closed circuit under the effect of the pressure generated at the meniscus constituting the liquid / vapor interfaces in the capillaries of the evaporator, this system having the particularity that the closed fluid circuit comprises two assemblies each formed by a capillary evaporator connected to the liquid conduit and by a condenser interposed between the capillary evaporator and the vapor conduit, one of the assemblies being in the hot source and the other in the cold source, and that the quantity of fluid is calculated in such a way that the evaporation takes place entirely in the capillary passages of
  • the evaporation in the capillary evaporator creates the increase in pressure necessary for setting the fluid in motion.
  • the condensation took place in the capillary evaporator, there would appear in it a pressure difference in the opposite direction, and which could be of the same order of magnitude, the difference depending mainly on the temperature differences between hot and cold springs.
  • the capillary evaporator which follows it in the direction of circulation of the fluid behaves like a simple passive resistance, because its passages are completely filled with condensing liquid. Condensation on surfaces with a large radius of curvature of the condenser generates only practically negligible reverse pressures.
  • the filling of the circuit must be done with precision, so that the changes of state of the fluid take place in the places provided.
  • a certain latitude is provided by the length of the passages in the capillary evaporator and the dimensions of the condenser. This latitude may be exceeded in the case, for example, of a lowering of the temperature of the liquid, resulting in a contraction of the latter. It has been found, surprisingly, that even in this case, which corresponds to an "under-filling", the system continues to function correctly while a vapor bubble has formed on the side of the capillary evaporator which is normally in contact with the liquid, and this as long as this bubble is completely separated from the vapor conduit by liquid retained by capillarity in the capillary evaporator.
  • the quantity of fluid is calculated so that, in all operating conditions, at least one liquid-vapor interface is located in the capillary evaporator, a vapor bubble without communication with the vapor duct can nevertheless be possibly find on the liquid side of the capillary evaporator.
  • the capillary evaporator consists of a mass with controlled porosity in which the liquid can vaporize with formation of menisci with a small radius or equivalent radius, this mass being placed in an enclosure between two chambers one connected to the liquid conduit and the other to the vapor conduit, the condenser of the cold source is constituted at least in part by that of said chambers which is connected to the vapor conduit. If all the condensation can take place in this chamber, that is to say inside the enclosure of the capillary evaporation device in the current sense of the term, the result is a remarkably simple and compact assembly.
  • Figure 1 is a block diagram of a system of the prior art.
  • Figure 2 is a block diagram of a system according to the invention.
  • Figures 3 and 4 are respectively longitudinal and transverse sections of a capillary evaporation device of the usual technique.
  • Figure 5 is a perspective diagram of the arrangement of several capillary evaporation devices.
  • Figure 6 is a diagram showing a meniscus.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a system intended to transfer thermal energy from a zone A, called “hot source”, to a zone B, at lower temperature, called “cold source”.
  • This system includes a closed circuit in which circulates a fluid which can be, depending on the temperatures of use, water, ammonia, a “Freon” etc.
  • This circuit includes capillary evaporation devices 1 connected in parallel, condensers 2, also connected in parallel (or parallel series), a vapor circulation conduit 3 and a liquid circulation conduit 4. The direction of circulation of the fluid is indicated by the arrows 5.
  • Figures 3 and 4 show the structure of a capillary evaporation device in common use.
  • This device comprises a metal tube 6 having an inlet 7 at one end and an outlet 8 at the opposite end. Inside the tube, a cylinder of porous material 9 is held by spacers 10 coaxially with the tube 6.
  • This porous material consists of parallel fibers arranged so as to constitute between them passages of maximum controlled size, for example of on the order of 20 micrometers, and forming what is called a "capillary wick”.
  • the porous material may consist of any material having pores of suitable dimensions and substantially homogeneous, for example metallic or plastic sintered materials, or ceramic.
  • FIG. 5 shows a hot source consisting of a plate 11 on one face of which are mounted devices 12 which give off heat and / or which one wishes to cool.
  • capillary evaporation devices 1 On the opposite face of the plate are attached capillary evaporation devices 1, the inlet 7 of which is connected to a liquid conduit 5 and communicates with the internal vacuum 13 (see FIG. 4) of the capillary wick 9, and the outlet 8 is connected to a steam duct 3 and communicates with the annular space 14 located between the tube 6 and the capillary wick 9.
  • the interior vacuum 13 is filled with liquid, and the annular space 14 is filled with vapor.
  • the liquid-vapor interface consists of a set of menisci 15 (see FIG. 6), of substantially equal equivalent radii, which are all found in the thickness of the porous mass 9.
  • the capillary evaporation devices which have just been described are known by the name of "capillary evaporators". It follows from the above that, within the meaning of the present text, only the porous mass 9 therefore constitutes the capillary evaporator proper, the vacuum 13 and the space 14 being, functionally, extensions of the liquid conduit or the steam.
  • the circulation of the fluid is due to the increase in the pressure of the vapor, in the capillary evaporators, which is generated at the level of the menisci where the total vaporization of the liquid takes place.
  • the liquid heats up very quickly (the flow rates are very low) and vaporizes completely at the level of the menisci at almost constant temperature.
  • the increase in pressure is proportional to the surface tension of the fluid and inversely proportional to the equivalent radius of the menisci (we work with radii less than 10 ⁇ m).
  • the fluid flow rate in each evaporator is thus constantly self-adjusting in order to have only pure steam at the outlet of each evaporator.
  • an isolator 16 ( Figure 1) must be positioned at the inlet of each evaporator. The role of this isolator is to prevent a return of vapor (in the main liquid tube of the loop) which could occur in an evaporator during an accidental disarming (during a too strong power injection for example) .
  • the pure steam is transported to the condensers 2 where the energy acquired by the fluid is extracted, either by radiators (which radiate energy to space), or by exchangers coupled to other loops , or by phase change systems such as boilers or evaporators.
  • a sub-cooler 17 is positioned on the liquid outlet tube.
  • the role of this sub-cooler is to condense the vapor which, accidentally, for non-nominal situations, would not have been completely condensed at the outlet of one of the last condensers.
  • the operating temperature of the loop is controlled by a two-phase pressurizing tank 18.
  • This tank is thermally controlled (heating and cooling system) so as to ensure control of its vaporization temperature which is also the vaporization temperature at the level of the "cold plates" 11 and exchangers (except for pressure losses, which are minimal).
  • the maximum power that can be transported is conditioned by the maximum pressure rise that the capillary evaporators can provide and by the sum of the pressure drops in the circuit for the maximum power considered.
  • pressure increases of the order of 5000 Pa can be achieved.
  • FIG. 2 shows the diagram of an energy transfer system according to the invention.
  • the circuit comprises assemblies each consisting of a capillary evaporator 1A, 1B in series with a condenser 2A, 2B, a vapor duct 3 being connected to each of the condensers 2A, 2B, and a duct of liquid 4 being connected to each of the capillary evaporators 1A, 1B.
  • a means for reheating the low-power steam pipe 20 is provided.
  • the direction of circulation of the fluid is that indicated by the arrows 21.
  • the evaporators 1A are active.
  • the liquid at the inlet of the evaporators passes through the capillary wicks 9 and vaporizes there.
  • Steam is collected at the outlet of these condensers and is transported in a tube 3 to the inlet of the "cold" condensers 2B.
  • a liquid two-phase or single-phase mixture therefore enters the evaporator devices 1B in "reverse direction" compared to normal operation for an evaporator.
  • the remaining vapor condenses completely in the annular space 14 of the evaporator devices 1B. Only liquid comes out of these evaporators.
  • the liquid is collected and is transported in the tube 4 to the inlet of the evaporators 1A, which closes the loop. In the liquid tube, partial vaporization of the liquid can be temporarily authorized.
  • the source B becomes hotter than the source A, the direction of circulation of the fluid is that of the arrows 22. It is the evaporators 1B which play their role of evaporators, the condensers 2B are inactive, the condensers 2A are active and the 1A evaporator devices act as additional condensers at their annular space 14.
  • the concept proposed for two heat sources can be extended to a multi-source concept (we can have a different source by "evaporator-condenser", the system will self-adapt). Nor is it necessary for the capillary evaporators 1A, 1B or the condensers 2A, 2B of sources A and B to be identical in number or in performance, nor that the number of evaporator-condenser assemblies is the same in all the sources .
  • the system according to the invention can be used to carry out a heat transfer between the different parts of a space vehicle subjected to different heat fluxes depending on the temp (daily or seasonal sunshine, thermal dissipation, etc.).
  • the advantages of this type of loop compared to the current concept essentially consist in the possibility of carrying out bidirectional heat transfers with a single loop, which contributes to a simplification and to a reduction in the mass balance.

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Abstract

Une source chaude (A) contient un ensemble formé d'au moins un évaporateur capillaire (1A) et d'au moins un condenseur (2B) présentant des surfaces de condensation à grand rayon de courbure, et une source froide (B) contenant un ensemble de même nature (1B, 2B). Les condenseurs sont reliés entre eux par un conduit de vapeur (3) et les évaporateurs capillaires sont reliés entre par un conduit de liquide (4) de façon à former un circuit fermé dans lequel circule une quantité de fluide dosée pour que toute l'évaporation se fasse dans les évaporateurs 'chauds' et toute la condensation dans les condenseurs 'froids', les autres éléments étant alors inactifs. Le système est réversible, d'où gain de poids et place intéressants dans une utilisation spatiale.

Description

Système de transfert d'énergie entre une source chaude et une source froide
La présente invention est relative à un système de transfert d'énergie entre une source chaude et une source froide, utilisant une boucle diphasique à pompage capillaire. Les boucles diphasiques à pompage capillaire mettent à profit le phénomène physique suivant : si on envoie, à une extrémité d'un tube capillaire chauffé, un liquide ayant des propriétés convenables, ce liquide pénètre dans le tube capillaire jusqu'à un point où il se vaporise totalement. La surface de séparation des phases liquide et vapeur a une forme courbe, et est appelée "ménisque". On observe, au niveau du ménisque, dans la phase vapeur, une augmentation de pression appréciable, qui peut être utilisée pour mettre le fluide en circulation dans un circuit fermé comprenant, outre des capillaires évaporateurs, un condenseur approprié.
Les phénomènes sont les mêmes si, au lieu d'un tube capillaire, on utilise une "masse capillaire", c'est-à-dire un matériau présentant une porisité ouverte avec des passages de dimensions sensiblement homogènes, typiquement 2 à 20 micromètres.
Cette augmentation de pression résulte de phénomènes de tension superficielle. Elle dépend de la température et de la nature du fluide et des parois solides avec lesquelles il est en contact, et elle est inversement proportionnelle au rayon du ménisque, ou au rayon équivalent dans le cas où le ménisque n'est pas sphérique. Le rayon du ménisque ou le rayon équivalent sont eux-mêmes très étroitement liés au rayon du capillaire, et plus généralement au rayon de courbure de la surface solide au contact de laquelle se fait le changement d'état. L'augmentation de pression est donc négligeable si l'interface liquide-vapeur est au contact de surfaces solides ayant des rayons de courbure de quelques centaines de micromètres.
Dans le présent texte, on parle d'évaporateurs capillaires et de condenseurs. Ces termes peuvent chaque fois s'appliquer à des groupes d'évaporateurs capillaires ou de condenseurs disposés en parallèle dans le circuit fermé.
Pour fixer les idées, on a constitué sur ce principe des systèmes utilisant de l'ammoniac entre -10 et +60°C, avec des rayons équivalents de ménisque de l'ordre de 10 micromètres, la pression générée au niveau des ménisques était de l'ordre de 5 kPa, ce qui suffit à compenser les pertes de charge du circuit. Les condenseurs pouvaient être constitués soit par des radiateurs qui rayonnent l'énergie vers l'espace, soit par des échangeurs couplés avec d'autres systèmes analogues, soit par des dispositifs à changement de phase tels que des bouilleurs ou des évaporateurs.
De tels systèmes sont utilisés aujourd'hui dans le domaine spatial.
Ces systèmes présentent l'inconvénient de ne pouvoir fonctionner en circuit fermé que dans un sens, le ou les capillaires se trouvant toujours dans la source chaude. A bord des engins spatiaux, il arrive que des transferts thermiques doivent être effectués tantôt dans un sens et tantôt dans le sens opposé, par exemple dans le cas de variations journalières ou saisonnières de l'ensoleillement. II est nécessaire dans ce cas d'implanter deux boucles indépendantes fonctionnant alternativement et en sens inverse, ce qui complique l'appareillage et augmente son encombrement.
La présente invention a pour but de fournir un appareillage qui permette des transferts d'énergie dans deux sens opposés, de façon simple et sous un volume limité.
Pour obtenir ce résultat, l'invention fournit un système de transfert d'énergie entre une source chaude et une source froide, le système comprenant un évaporateur capillaire situé dans la source chaude et dans lequel un fluide est introduit à l'état liquide et passe intégralement à l'état de vapeur, un conduit de vapeur, un condenseur situé dans la source froide où le fluide repasse à l'état liquide, et un conduit de liquide qui ramène le fluide à l'évaporateur capillaire, le fluide circulant en circuit fermé sous l'effet de la pression générée au niveau de ménisque constituant les interfaces liquide/vapeur dans les capillaires de l'évaporateur, ce système ayant pour particularité que le circuit fermé de fluide comprend deux ensembles formés chacun d'un évaporateur capillaire relié au conduit de liquide et d'un condenseur intercalé entre 1'évaporateur capillaire et le conduit de vapeur, l'un des ensembles se trouvant dans la source chaude et l'autre dans la source froide, et que la quantité de fluide est calculée de telle façon que l'évaporation se fait intégralement dans les passages capillaires de l'évaporation capillaire situé dans la source chaude et que la totalité de la condensation se fait dans le condenseur situé dans la source froide.
On comprendra que, dans la source chaude, l'évaporation dans l'évaporateur capillaire crée l'augmentation de pression nécessaire pour la mise de fluide en mouvement. Dans la source froide, si la condensation se faisait dans 1'évaporateur capillaire, il apparaîtrait dans celui-ci une différence de pression en sens inverse, et qui pourrait être du même ordre de grandeur, l'écart dépendant principalement des différences de température entre les sources chaude et froide. En fait, comme la condensation a lieu dans le condenseur de la source froide, l'évaporateur capillaire qui le suit dans le sens de circulation du fluide se comporte comme une simple résistance passive, car ses passages sont remplis complètement de liquide de condensation. La condensation sur les surfaces à grand rayon de courbure du condenseur ne génère que des pressions inverses pratiquement négligeables.
Le remplissage du circuit doit être fait avec précision, pour que les changements d'état du fluide se fassent aux endroits prévus. Une certaine latitude est fournie par la longueur des passages dans l'évaporateur capillaire et les dimensions du condenseur. Cette latitude peut être dépassée dans le cas, par exemple, d'un abaissement de la température du liquide, entraînant une contraction de celui-ci. On a constaté, de façon surprenante, que même dans ce cas, qui correspond à un "sous-remplissage" le système continue à fonctionner de façon correcte alors qu'une bulle de vapeur s'est formée du côté de l'évaporateur capillaire qui est normalement en contact avec le liquide, et cela tant que cette bulle est complètement séparée du conduit vapeur par du liquide retenu par capillarité dans l'évaporateur capillaire.
On peut donc prévoir que la quantité de fluide est calculée pour que, dans toutes les conditions de fonctionnement, au moins une interface liquide-vapeur se trouve dans l'évaporateur capillaire, une bulle de vapeur sans communication avec le conduit de vapeur pouvant néanmoins se trouver éventuellement du côté liquide de 1'évaporateur capillaire.
Suivant une réalisation intéressante, dans le cas où 1'évaporateur capillaire est constitué d'une masse à porosité contrôlée dans laquelle le liquide peut se vaporiser avec formation de ménisques à faible rayon ou rayon équivalent, cette masse étant placée dans une enceinte entre deux chambres reliées l'une au conduit de liquide et l'autre au conduit de vapeur, le condenseur de la source froide est constitué au moins en partie par celle desdites chambres qui est reliée au conduit de vapeur. Au cas où toute la condensation peut se faire dans cette chambre, c'est-à-dire à l'intérieur de l'enceinte du dispositif d'évaporation capillaire au sens courant du terme, on aboutit à un ensemble remarquablement simple et compact.
Selon un mode de réalisation plus perfectionné, il existe plusieurs sources chaudes et/ou plusieurs sources froides, et il y a au moins un desdits ensembles formés d'un évaporateur capillaire et d'un condenseur dans chaque source chaude et chaque source froide.
On a constaté de façon imprévue que le système s'auto- stabilise même avec des différences appréciables de température entre les sources chaudes ou entre les sources froides.
L' invention va être exposée de façon plus détaillée à l'aide d'exemples pratiques illustrés par les dessins, parmi lesquels :
Figure 1 est un schéma de principe d'un système de l'art antérieur.
Figure 2 est un schéma de principe d'un système selon 1'invention. Figures 3 et 4 sont des coupes respectivement longitudinale et transversale d'un dispositif d'évaporation capillaire de la -technique usuelle.
Figure 5 est un schéma en perspective de la disposition de plusieurs dispositifs d'évaporation capillaire. Figure 6 est un schéma montrant un ménisque.
La figure 1 montre un schéma de principe d'un système destiné à transférer de l'énergie thermique d'une zone A, dite "source chaude", vers une zone B, à température inférieure, dite "source froide". Ce système comprend un circuit fermé dans lequel circule un fluide qui peut être, selon les températures d'utilisation, de l'eau, de l'ammoniac, un "Fréon" etc.. Ce circuit comprend des dispositifs d'évaporation capillaire 1 branchés en parallèle, des condenseurs 2, également branchés en parallèle (ou séries parallèles) , un conduit de circulation de vapeur 3 et un conduit de circulation de liquide 4. Le sens de circulation du fluide est indiqué par les flèches 5.
Les figures 3 et 4 montrent la structure d'un dispositif d'évaporation capillaire d'usage courant.
Ce dispositif comprend un tube métallique 6 ayant une entrée 7 à une extrémité et une sortie 8 à l'extrémité opposée. A l'intérieur du tube, un cylindre de matière poreuse 9 est maintenu par des entretoises 10 coaxialement au tube 6. Cette matière poreuse est constituée de fibres parallèles disposées de façon à constituer entre elles des passages de dimension maximale contrôlée, par exemple de l'ordre de 20 micromètres, et formant ce qu'on appelle une "mèche capillaire" .
La matière poreuse peut être constituée de tout matériau ayant des pores de dimensions convenables et sensiblement homogènes, par exemple matériaux frittes métalliques ou plastiques, ou céramiques.
La figure 5 montre une source chaude constituée d'une plaque 11 sur une face de laquelle sont montés des équipements 12 qui dégagent de la chaleur et/ou qu'on désire refroidir. Sur la face opposée de la plaque sont fixés des dispositifs d'évaporation capillaire 1 dont l'entrée 7 est reliée à un conduit de liquide 5 et communique avec le vide intérieur 13 (voir figure 4) de la mèche capillaire 9, et dont la sortie 8 est reliée à un conduit de vapeur 3 et communique avec l'espace annulaire 14 situé entre le tube 6 et la mèche capillaire 9.
En fonctionnement normal, le vide intérieur 13 est rempli de liquide, et l'espace annulaire 14 est rempli de vapeur. L'interface liquide-vapeur est constitué d'un ensemble de ménisques 15 (voir figure 6) , de rayons équivalents sensiblement égaux, qui se trouvent tous dans l'épaisseur de la masse poreuse 9.
Dans la technique usuelle, les dispositifs d'évaporation capillaires qu'on vient de décrire sont connus sous le nom d' "évaporateurs capillaires" . Il ressort de ce qui précède que, au sens du présent texte, seule la masse poreuse 9 constitue donc l'évaporateur capillaire proprement dit, le vide 13 et l'espace 14 étant, fonctionnellement, des prolongements du conduit de liquide ou du conduit de vapeur. La mise en circulation du fluide est due à l'augmentation de la pression de la vapeur, dans les évaporateurs capillaires, qui est générée au niveau des ménisques où a lieu la vaporisation totale du liquide. Pendant la traversée de la mèche capillaire, le liquide se réchauffe très rapidement (les débits sont très faibles) et se vaporise totalement au niveau des ménisques à température quasi-constante. L'augmentation de la pression est proportionnelle à la tension superficielle du fluide et inversement proportionnelle au rayon équivalent des ménisques (on travaille avec des rayons inférieurs à lOμm) . Le débit de fluide dans chaque évaporateur est ainsi constamment auto-ajusté afin d'avoir uniquement de la vapeur pure à la sortie de chaque évaporateur.
Pour avoir un fonctionnement correct des évaporateurs capillaires, il est impératif de n'avoir que du liquide à l'entrée de chaque dispositif d'évaporation capillaire. Ces dispositifs ne peuvent donc être disposés qu'en parallèle. De plus, un isolateur 16 (figure 1) doit être positionné à l'entrée de chaque évaporateur. Le rôle de cet isolateur est d'empêcher un retour de vapeur (dans le tube principal de liquide de la boucle) qui pourrait se produire dans un évaporateur lors d'un désamorçage accidentel (lors d'une trop forte injection de puissance par exemple) .
La vapeur pure est transportée vers les condenseurs 2 où s'effectue l'extraction d'énergie acquise par le fluide, soit par des radiateurs (qui rayonnent l'énergie vers l'espace), soit par des échangeurs couplés à d'autres boucles, soit par des systèmes à changement de phase tels que des bouilleurs ou évaporateurs.
En revenant au dispositif de la figure 1, un sous- refroidisseur 17 est positionné sur le tube de sortie liquide. Le rôle de ce sous-refroidisseur est de condenser la vapeur qui, accidentellement, pour des situations non nominales, n'aurait pas été totalement condensée à la sortie d'un des derniers condenseurs.
La température de fonctionnement de la boucle est contrôlée par un réservoir pressuriseur diphasique 18. Ce réservoir est contrôlé thermiquement (système de chauffage et de refroidissement) de manière à assurer un contrôle de sa température de vaporisation qui est aussi la température de vaporisation au niveau des "plaques froides" 11 et échangeurs (aux pertes de pression près, qui sont minimes) .
Avec ce type de boucle, on peut contrôler avec une bonne précision (meilleure que le degré dans la majorité des cas) une température de consigne, et ce quelles que soient les variations de puissance subies par la boucle au niveau des évaporateurs ou condenseurs.
La puissance maximale qu'il est possible de transporter est conditionnée par la remontée maximale de pression que peuvent assurer les évaporateurs capillaires et par la somme des pertes de charge du circuit pour la puissance maximale considérée. Avec de l'ammoniac et des rayons équivalents de ménisques de lOμm, on peut atteindre des remontées de pression de l'ordre de 5000Pa.
La figure 2 montre le schéma d'un système de transfert d'énergie conforme à l'invention.
Dans chacune des sources A et B, le circuit comprend des ensembles constitués chacun d'un évaporateur capillaire 1A, 1B en série avec un condenseur 2A, 2B, un conduit de vapeur 3 étant relié à chacun des condenseurs 2A, 2B, et un conduit de liquide 4 étant relié à chacun des évaporateurs capillaires 1A, 1B. Un moyen de réchauffage du conduit de vapeur de faible puissance 20 est prévu. Il n'y a pas de réservoir pressuriseur 18 ni d'isolateurs 16.
Lorsque la température de la source A est supérieure à celle de la source B, le sens de circulation du fluide est celui qui est indiqué par les flèches 21. Les évaporateurs 1A sont actifs. Le liquide à l'entrée des évaporateurs traverse les mèches capillaires 9 et s'y vaporise. La vapeur sort de chaque dispositif évaporateur (avec une augmentation de pression capillaire) et traverse les condenseurs "chauds" 2A qui sont donc inactifs. La vapeur est collectée à la sortie de ces condenseurs et est transportée dans un tube 3 jusqu'à l'entrée des condenseurs "froids" 2B. La vapeur se condense partiellement ou totalement dans ces condenseurs. Un mélange diphasique ou monophasique liquide entre donc dans les dispositifs évaporateurs 1B à "contre-sens" par rapport à un fonctionnement normal pour un évaporateur. La vapeur restante se condense totalement dans l'espace annulaire 14 des dispositifs évaporateurs 1B. Du liquide seul sort de ces évaporateurs. Le liquide est collecté et est transporté dans le tube 4 jusqu'à l'entrée des évaporateurs 1A, ce qui clôt la boucle. Dans le tube liquide, on peut autoriser temporairement une vaporisation partielle du liquide. Lorsque la source B devient plus chaude que la source A, le sens de circulation du fluide est celui des flèches 22. Ce sont les évaporateurs 1B qui jouent leur rôle d'évaporateurs, les condenseurs 2B sont inactifs, les condenseurs 2A sont actifs et les dispositifs évaporateurs 1A jouent un rôle de condenseurs supplémentaires au niveau de leur espace annulaire 14.
Ces espaces annulaires, qui sont inclus dans les dispositifs d'évaporation capillaire, font alors, du point de vue fonctionnel, partie des condenseurs 2A. Lorsque l'on souhaite réaliser un transfert thermique entre les différentes sources et que le transfert ne s'opère pas, il faut chauffer légèrement le tube vapeur 3
(typiquement avec lW/m) à l'aide du moyen de réchauffage 20 pendant typiquement une heure afin d'expulser le liquide qui pourrait s'y trouver.
Dans les cas où les capacités de condensation des espaces annulaires 14 des évaporateurs inactifs sont suffisantes, on peut supprimer tous les condenseurs. La boucle est alors uniquement constituée par des dispositifs d'évaporation classiques fonctionnant les uns en évaporateurs, les autres en condenseurs.
Le concept proposé pour deux sources de chaleur peut être étendu à un concept multi-sources (on peut avoir une source différente par "évaporateur-condenseur" , le système s'auto-adaptera) . Il n'est pas non plus nécessaire que les évaporateurs capillaires 1A, 1B ou les condenseurs 2A, 2B des sources A et B soient identiques en nombre ou en performances, ni que le nombre des ensembles évaporateur- condenseur soit le même dans toutes les sources. Dans le domaine spatial, le système selon l'invention peut être utilisé pour réaliser un transfert thermique entre les différentes parties d'un véhicule spatial soumises à des flux thermiques différents en fonction du temp (ensoleillement journalier ou saisonnier, dissipatio thermique, .. ) . Les avantages de ce type de boucle pa rapport au concept actuel consistent essentiellement en l possibilité de réaliser des transferts thermique bidirectionnels avec une seule boucle, ce qui contribue une simplification et à une réduction du bilan de masse.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de transfert d'énergie entre une source chaude et une source froide, le système comprenant un évaporateur capillaire situé dans la source chaude, et dans lequel un fluide est introduit à l'état liquide et passe intégralement à l'état de vapeur à l'intérieur des passages capillaires, un conduit de vapeur, un condenseur situé dans la source froide où le fluide repasse à l'état liquide en se condensant sur des surfaces à grand rayon de courbure, et un conduit de liquide qui ramène le fluide à l'évaporateur capillaire, le fluide circulant en circuit fermé sous l'effet de la pression générée au niveau de ménisque constituant les interfaces liquide/vapeur dans les passages capillaires de l'évaporateur, dans lequel : le circuit fermé de fluide comprend deux ensembles formés chacun d'un évaporateur capillaire relié au conduit de liquide et d'un condenseur intercalé entre l'évaporateur capillaire et le conduit de vapeur, l'un des ensembles se trouvant dans la source chaude et l'autre dans la source froide; et la quantité de fluide est calculée de telle façon que l'évaporation se fait intégralement dans les passages capillaires de l'évaporateur capillaire situé dans la source chaude et que la condensation se fait dans le condenseur situé dans la source froide.
2. Système selon la revendication 1, dans lequel la quantité de fluide est calculée pour que, dans toutes les conditions de fonctionnement, au moins une interface liquide-vapeur se trouve, une bulle de vapeur sans communicat on avec le conduit de vapeur pouvant néanmoins se trouver éventuellement du côté liquide de l'évaporateur capillaire.
3. Système selon la revendication 1, dans lequel, 1'évaporateur capillaire est constitué d'une masse à porosité contrôlée dans laquelle le liquide peut se vaporiser avec formation de ménisques (15) à faible rayon ou rayon équivalent, cette masse étant placée dans une enceinte entre deux chambres (13, 14) reliées l'une au conduit de liquide et l'autre au conduit de vapeur (3), et le condenseur de la source froide est constitué au moins en partie par celle (14) desdites chambres qui est reliée au conduit de vapeur (3) .
4. Système selon la revendications 1, dans lequel il existe plusieurs sources chaudes et/ou plusieurs sources froides, et il est prévu au moins un desdits ensembles formés d'un évaporateur capillaire et d'un condenseur dans chaque source chaude et chaque source froide.
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