FR2742219A1

FR2742219A1 - Capillary action fluid evaporator for space applications

Info

Publication number: FR2742219A1
Application number: FR9514706A
Authority: FR
Inventors: De Beaupre Rene Cheynet
Original assignee: Matra Marconi Space France SA
Current assignee: Matra Marconi Space France SA
Priority date: 1995-12-12
Filing date: 1995-12-12
Publication date: 1997-06-13

Abstract

The capillary action fluid evaporator comprises a porous wick (12) defining a liquid inlet channel contained in a body (10). The body internal surface has longitudinal fluting for vapour discharging to a condensing zone. A radial gap (j) of between 0.1 mm and 0.15 mm between the wick and teeth (14) in the tubular body separating the fluting. The ratio between the width (L2) of the mouth of the fluting and the width (L1) of the teeth in the internal periphery of the tubular body is less than 1/2. Each fluting has a section which comprises a curved wall vapour passage and discharging mouth having sharp corners for angular spreading less than the angular spreading of the passage when the body is tubular.

Description

EVAPORATEUR DE BOUCLE FLUIDE A POMPAGE CAPILLAIRE
La présente invention concerne les évaporateurs destinés aux boucles fluides à pompage capillaire. On désigne par ce terme un appareil permettant d'absorber de la chaleur par évaporation d'un fluide caloporteur dans un corps chaud constituant évaporateur et de la restituer dans un corps froid constituant condenseur. Cet appareil utilise la capillarité des matériaux poreux pour générer la pression motrice nécessaire à la circulation du fluide.HAIR PUMP FLUID LOOP EVAPORATOR
The present invention relates to evaporators intended for capillary pumped fluid loops. By this term is meant an apparatus making it possible to absorb heat by evaporation of a heat transfer fluid in a hot body constituting an evaporator and to restore it in a cold body constituting a condenser. This device uses the capillarity of porous materials to generate the driving pressure necessary for the circulation of the fluid.

De telles boucles présentent de l'intérêt chaque fois que l'on souhaite évacuer de la chaleur en évitant l'emploi d'un organe de mise en circulation consommant de la puissance et diminuant la fiabilité. On utilise notamment de telles boucles sur les engins spatiaux et les satellites, afin d'évacuer de la chaleur provenant d'un circuit électrique vers un radiateur rayonnant vers l'espace noir ou pour équilibrer les températures de composants ou de radiateurs. Such loops are of interest whenever it is desired to dissipate heat by avoiding the use of a circulation device consuming power and reducing reliability. Such loops are used in particular on spacecraft and satellites, in order to dissipate heat coming from an electrical circuit towards a radiator radiating towards black space or to balance the temperatures of components or radiators.

Dans ce dernier cas, la boucle est constituée de façon à être réversible.In the latter case, the loop is formed so as to be reversible.

L'invention concerne plus particulièrement les évaporateurs du genre comprenant une "mèche" poreuse qui peut être annulaire ou plate. Si elle est annulaire, elle délimite un canal d'arrivée de liquide vaporisable et est contenue dans un corps tubulaire dont la face interne présente des cannelures longitudinales d'évacuation de vapeur vers une zone de condensation. Si elle est plate, elle sépare un canal d'un corps ayant des cannelures longitudinales. The invention relates more particularly to evaporators of the type comprising a porous "wick" which may be annular or flat. If it is annular, it delimits an inlet channel for vaporizable liquid and is contained in a tubular body, the internal face of which has longitudinal grooves for discharging steam towards a condensation zone. If it is flat, it separates a channel from a body having longitudinal grooves.

La puissance thermique à évacuer à partir du corps, qui constitue le point chaud, transite, à travers les dents qui séparent les cannelures, vers la mèche. Pour obtenir une conductance thermique élevée à l'interface, la mèche des évaporateurs actuels est montée de façon serrée contre les dents. Le fonctionnement de l'évaporateur annulaire, schéma tisé en figure 1, est alors le suivant : sous l'action du flux thermique g provenant du corps 10, du liquide traversant la mèche 12 par capillarité se vaporise dans une zone de la mèche proche du contact entre cette dernière et chaque dent 14. La vapeur s'échappe à travers les pores de la mèche pour rejoindre les cannelures 16 encadrant chaque dent, comme indiqué par les flèches t. La mèche partiellement asséchée ré-aspire du liquide depuis l'autre face par capillarité. The thermal power to be evacuated from the body, which constitutes the hot spot, passes, through the teeth which separate the grooves, towards the wick. To obtain a high thermal conductance at the interface, the wick of current evaporators is tightly mounted against the teeth. The operation of the annular evaporator, diagram shown in FIG. 1, is then as follows: under the action of the heat flow g coming from the body 10, the liquid passing through the wick 12 by capillary action vaporizes in an area of the wick close to the contact between the latter and each tooth 14. The vapor escapes through the pores of the wick to join the grooves 16 framing each tooth, as indicated by the arrows t. The partially dried wick re-sucks liquid from the other side by capillary action.

Le choix de la largeur L1 des dents et de la largeur L2 des cannelures le long de la périphérie de la mèche (ou par unité de largeur) résulte d'un compromis. Une augmentation de la largeur de la dent augmente la surface de transfert de la chaleur, ce qui est favorable, mais en contrepartie elle allonge le parcours latéral de la vapeur, ce qui accroît les pertes de charge et la poche de valeur présente sous les dents. A l'inverse, des dents fines favorisent l'écoulement de la vapeur mais minimisent la surface de transfert de la chaleur. The choice of the width L1 of the teeth and the width L2 of the splines along the periphery of the drill bit (or per unit of width) results from a compromise. An increase in the width of the tooth increases the heat transfer surface, which is favorable, but in return it lengthens the lateral path of the vapor, which increases the pressure losses and the pocket of value present under the teeth . Conversely, fine teeth promote the flow of steam but minimize the heat transfer surface.

Dans la plupart des évaporateurs actuels, le compromis adopté consiste à donner aux dents et aux cannelures la même section droite en forme de trapèze. In most current evaporators, the compromise adopted consists in giving the teeth and the grooves the same cross section in the shape of a trapezoid.

La présente invention vise notamment à fournir un évaporateur du type ci-dessus défini ayant des performances accrues à encombrement égal. The present invention aims in particular to provide an evaporator of the type defined above having increased performance at equal dimensions.

Dans ce but, l'invention propose notamment un évaporateur du genre ci-dessus défini caractérisé par un jeu entre mèche et dents de 0,05 mm à 0,15 mm entre la mèche et le corps ; dans ces conditions, on peut augmenter le rapport entre la largeur des dents et la largeur des cannelures en regard de la mèche. En effet, les pertes de charge subies par la vapeur lors de sa circulation dans le jeu sont très notablement inférieures aux pertes de charge subies pour traverser les pores de la mèche. Cela permet d'adopter des dents de largeur très accrue, l'augmentation du chemin latéral suivi par la vapeur pour arriver dans les cannelures étant pratiquement négligeable comparée au gain. L'augmentation de la résistance thermique à l'interface, due à la présence du jeu, peut être très largement compensée par l'augmentation de la surface d'échange entre les dents et la mèche. To this end, the invention provides in particular an evaporator of the kind defined above, characterized by a clearance between wick and teeth of 0.05 mm to 0.15 mm between the wick and the body; under these conditions, the ratio between the width of the teeth and the width of the grooves facing the drill bit can be increased. Indeed, the pressure drops undergone by the steam during its circulation in the game are very significantly lower than the pressure losses undergone to pass through the pores of the wick. This makes it possible to adopt teeth of very increased width, the increase in the lateral path followed by the steam to reach the grooves being practically negligible compared to the gain. The increase in thermal resistance at the interface, due to the presence of backlash, can be more than offset by the increase in the exchange surface between the teeth and the wick.

L'existence du jeu apporte d'autres avantages. I1 devient facile de monter la mèche poreuse, alors qu'un ajustage serré nécessite un outillage spécifique. La présence du jeu diminue de façon très significative le risque de désamorçage de la boucle, par assèchement de la mèche provoquée par la pression de la vapeur, qui tend à refouler le liquide loin des dents. Le jeu peut être aisément maintenu à une valeur constante, par exemple en munissant la mèche de colliers minces de centrage de la mèche disposés à intervalles réguliers et dont l'épaisseur définit le jeu lorsque la mèche est tubulaire. The existence of the game brings other advantages. It becomes easy to mount the porous wick, while a tight fit requires specific tools. The presence of the play very significantly reduces the risk of defusing the loop, by drying out the wick caused by the pressure of the vapor, which tends to force the liquid away from the teeth. The play can easily be maintained at a constant value, for example by providing the wick with thin collars for centering the wick arranged at regular intervals and the thickness of which defines the play when the wick is tubular.

Par ailleurs, il a été constaté que la forme polygonale des cannelures présentait des inconvénients : à section de passage égale, une forme cylindrique présente moins de surface mouillée et évite les pertes de charges inutiles dans la vapeur. Toujours à section de passage égale, cette forme limite les strictions des dents, et favorise le chemin thermique vers les dents. Le liquide ne s'accroche plus dans les angles par capillarité, mais tend à retourner vers la mèche. Ceci est particulièrement important si la boucle est réversible et que le dispositif est cette fois utilisé en condenseur, le liquide retourne naturellement vers la mèche ou il est aspiré. Furthermore, it has been observed that the polygonal shape of the grooves has drawbacks: with an equal cross-section, a cylindrical shape has less wetted surface and avoids unnecessary pressure drops in the vapor. Always with an equal cross-section, this shape limits the necks of the teeth, and promotes the thermal path to the teeth. The liquid no longer hangs in the corners by capillary action, but tends to return to the wick. This is particularly important if the loop is reversible and the device is used this time as a condenser, the liquid naturally returns to the wick where it is sucked.

Conformément à un aspect secondaire de l'invention, on donne à chaque cannelure une section droite qui comprend une portion à périphérie courbe et un débouché qui est seul à angles vifs, de développement angulaire autour de l'axe très inférieur au développement angulaire de la partie courbe. La portion qui définit le passage d'évacuation de vapeur vers la zone de condensation peut être sensiblement circulaire, donc facile à usiner, ou elliptique pour diminuer le rayon hydraulique, tandis que le débouché est délimité par deux parois faisant des angles vifs avec le passage et avec la périphérie interne du corps. In accordance with a secondary aspect of the invention, each groove is given a cross section which comprises a portion with a curved periphery and an outlet which is alone at sharp angles, with angular development around the axis much less than the angular development of the curved part. The portion that defines the steam evacuation passage to the condensation zone can be substantially circular, therefore easy to machine, or elliptical to reduce the hydraulic radius, while the outlet is delimited by two walls making sharp angles with the passage and with the internal periphery of the body.

Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre dexem- ple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la figure 1, déjà mentionnée, est une vue en coupe d'un évaporateur de type connu
- la figure 2, similaire à la figure 1, est une vue en coupe d'un évaporateur suivant l'invention ; et
- la figure 3 est une courbe de variation de la puissance évacuée en fonction du jeu radial, pour un évaporateur du genre montré en figure 2.The above characteristics as well as others will appear better on reading the following description of a particular embodiment, given by way of nonlimiting example. The description refers to the accompanying drawings, in which
- Figure 1, already mentioned, is a sectional view of a known type of evaporator
- Figure 2, similar to Figure 1, is a sectional view of an evaporator according to the invention; and
FIG. 3 is a curve of variation of the evacuated power as a function of the radial clearance, for an evaporator of the kind shown in FIG. 2.

L'évaporateur qui sera maintenant décrit à titre d'exemple est utilisable dans une boucle fluide de type classique, ayant par exemple la constitution décrite dans l'article de Van Oost et al "Capillary-pumped heat transport system two-phase loop and evaporators - research and results", Proceedings of the 4th European Symposium on Space
Environmental and Control Systems, 21-24 Oct. 1991, ESA SP324, Déc. 1991, p. 77 seq.The evaporator which will now be described by way of example can be used in a conventional type fluid loop, having for example the constitution described in the article by Van Oost et al "Capillary-pumped heat transport system two-phase loop and evaporators - research and results ", Proceedings of the 4th European Symposium on Space
Environmental and Control Systems, 21-24 Oct. 1991, ESA SP324, Dec. 1991, p. 77 seq.

L'évaporateur comprend encore un corps tubulaire 14, généralement métallique, et une mèche poreuse 12, généralement en matière céramique ou synthétique, ayant une porosité ouverte. Pour diminuer les pertes de charge subies par la vapeur, un jeu i est ménagé entre la mèche et la périphérie interne du corps tubulaire 14. La valeur optimale de ce jeu dépend de la nature du fluide utilisé, du rapport L2/L1 entre la largeur du débouché des cannelures et la largeur des dents et, dans une moindre mesure, du diamètre de la mèche. Dans la pratique, le jeu optimum est en général compris entre 0,10 et 0,15 mm. The evaporator also comprises a tubular body 14, generally metallic, and a porous wick 12, generally made of ceramic or synthetic material, having an open porosity. To reduce the pressure losses undergone by the steam, a clearance i is provided between the wick and the internal periphery of the tubular body 14. The optimum value of this clearance depends on the nature of the fluid used, the ratio L2 / L1 between the width the outlet of the grooves and the width of the teeth and, to a lesser extent, the diameter of the drill bit. In practice, the optimum clearance is generally between 0.10 and 0.15 mm.

Pour augmenter la surface d'échange thermique et compenser ainsi la réduction du coefficient d'échange dû au jeu i, on donnera généralement au rapport L2/Ll une valeur très inférieure à celles couramment adoptées à l'heure actuelle ; cette valeur sera inférieure à 1/2 et souvent comprise entre 1/3 et 1/6. To increase the heat exchange surface and thus compensate for the reduction in the exchange coefficient due to the clearance i, the ratio L2 / L1 will generally be given a value much lower than those currently adopted at present; this value will be less than 1/2 and often between 1/3 and 1/6.

Pour diminuer les pertes de charge subies par la vapeur au cours de son écoulement longitudinal, les cannelures ont avantageusement une largeur moyenne, dans le sens circonférentiel, très supérieure à L2 ; pour éviter l'accrochage de gouttes sur des angles vifs éloignés du débouché, sur la partie formant passage de vapeur, une périphérie courbe est préférable. Dansle cas illustré sur la figure 2, le passage a une section circulaire de diamètre approximativement égal à (L1+L2)/2 ; le débouché est à parois planes et parallèles et sa profondeur radiale L3 est approximativement égale à
L2/2. Mais d'autres valeurs sont possibles. Pour accroître le rapport entre surface et volume du passage, une forme autre que circulaire peut être adoptée, notamment une forme elliptique allongée dans le sens radial.To reduce the pressure losses undergone by the steam during its longitudinal flow, the grooves advantageously have an average width, in the circumferential direction, much greater than L2; to avoid catching drops on sharp angles far from the outlet, on the part forming a vapor passage, a curved periphery is preferable. In the case illustrated in FIG. 2, the passage has a circular section of diameter approximately equal to (L1 + L2) / 2; the outlet is with flat and parallel walls and its radial depth L3 is approximately equal to
L2 / 2. But other values are possible. To increase the ratio between surface and volume of the passage, a shape other than circular can be adopted, in particular an elliptical shape elongated in the radial direction.

Des essais effectués en utilisant l'ammoniac comme fluide, avec un profil de cannelures du genre montré en figure 2, ont permis d'établir la courbe de variation de la puissance évacuée en fonction du jeu montré en figure 3. On voit que la courbe présente un maximum pour j = 0,125 mm environ et qu'un jeu compris entre 0,11 et 0,14 mm donne des résultats beaucoup plus favorables qu'un montage serré, correspondant à un jeu nul. Tests carried out using ammonia as a fluid, with a profile of grooves of the kind shown in FIG. 2, made it possible to establish the curve of variation of the evacuated power as a function of the clearance shown in FIG. 3. We see that the curve has a maximum for j = 0.125 mm approximately and that a clearance between 0.11 and 0.14 mm gives much more favorable results than a tight assembly, corresponding to zero clearance.

Claims

1. Capillary pumped fluid loop evaporator, comprising a porous wick (12) delimiting an inlet channel for vaporizable liquid and contained in a body (10) the internal face of which has longitudinal grooves for evacuating steam to an area of condensation,

characterized by a radial clearance (j) of 0.10 to 0.15 mm between the drill bit (12) and the teeth (14) of the tubular body (10) separating the splines.

2. Evaporator according to claim 1, characterized in that the ratio between the width (L2) of the opening of the grooves and the width (L1) of the teeth on the internal periphery of the tubular body is less than 1/2 and advantageously between 1 / 3 and 1/6.

3. Evaporator according to claim 1 or 2, characterized in that each groove has a cross section which comprises a steam passage with a curved wall and an outlet having sharp angles, of angular development less than the angular development of the passage when the body is tubular.

4. Evaporator according to claim 3, characterized in that the passage is of circular or elliptical section.

5. Evaporator according to any one of the preceding claims, characterized in that the wick is made of ceramic or synthetic material with open porosity.

6. Evaporator according to any one of the preceding claims, characterized in that, the vaporizable liquid being ammonia, the clearance (j) is between 0.11 and 0.14 mm.

7. Evaporator according to any one of the preceding claims, characterized in that the wick (12) is annular and the body is tubular.

8. Evaporator according to claim 7, characterized in that the wick carries tubular collars arranged at regular intervals and constituting centering spacers.