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BELL TELEPRONN 1awàcTwiw C(97.'3,71i''.
4, rue Boudewyns Amers.
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REJ1R OIDISSEME:NT D'UN CCRPS A BAUTE 2'E.'t'tl PAR, L'ACTION D'UN LIQUIDE. Cette invention fait l'objet d'une demande de brevet déposée aux
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7tats-ühia d'Amérique le 5 octobre 1942 au nom de Isïs. Charles Vincent LITTON. L'invention se rapporte aux procédés de refroidissement d'un corps à
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haute température par l'action d'un liquide et, plus spécii'iquewent , au re- froidissement des anodes des tubes à vide.
L'invention constitue en partie un développement de celle qui fait l'objet du brevet belge N 462.579
Dans l'artde refroidir les corps à haute température par un liquide mis en contact direct ou indirect avec ces corps, le fait que la température du corps en contact avec le liquide ne devrait pas être supérieure à la température d'ébullition du liquide semble avoir été, dans beaucoup de cas, négligé entièrement ,et, lorsque l'on s'en est préoccupé , c'est généralement pour aboutir à d'autres modes de refroidissement, tels que le refroidissement par l'air.
En fait, si la température du corps chaud en contact avec le liquide de refroidissement est au-dessus du point d'ébullition de ce liquide, il n'y apra plus de contact avec le liquide le long de la surface du corps chaud, mais plutôt en
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contact avec de la vapeur ou des bulles chargées de vapeur. Ceci supprime immédiatement l'effet de refroidissement par le liquide et, dans un certain sens, on peut dire qu'il n'y a plus de liquide refroidisseur.
Le but principal de la présente invention est de réaliser un refroidissement efficace de corps à haute température au moyen de liquides, en conservant tous les avantages du refroidissement par les liquides et en éliminant les inconvénients certains qui se produisent lorsque la surface rayonnante du corps chaud est à une température au-dessus de celle du point d'ébullition du liquide, le procédé permettant même dans ce cas, un refroidissement efficace.
Le but signalé , ainsi que d'autres buts et avantages de l'invention et la manière d'y parvenir , apparaîtront plus clairement et seront complètement expliques par la description suivante, accompagnée des dessins ci-après énumé- rés :
La figure 1, qui est la section verticale d'une anode refroidie par un liquide par l'intermédiaire d'ailettes, les dispositions prises pour le refroidissement étant conformes aux principes de base de l'invention - la figure -- qui est fragment de la section transversale selon la droite 2-2 de la figure 1, fragment dessiné à grande échelle et montrant la disposition des ailettes selon les principes de l'invention - la figure 3 qui est la section verticale d'un type modifié de dispositif de refroidissement, conforme à l'invention,
pour l'anode d'un tube à vide - la figure 4 qui est un fragment , à grande échelle, de la section transversale suivant la droite 4-4 de la figure 5- la figure 5 qui est la section verticale d'un troisième type de dispositif de refroidissement , conforme l'Invention, pour l'anode d'un tube à vide - la figure 6 qui est un fragment , à grande échelle, de la section transversale suivant la droite 6-6 de la figure 5 - la figure 7 qui est la section verticale d'un quatrième type de dispositif de refroidissement , conforme à l'invention, pour l'anode d'un tube à vide - la figure 8 qui est un fragment , à grande échelle de la section transversale du dispositif de la figure 7 - la figure 9 qui est, en partie,
la section verticale d'un autre type dé dispositif de refroidissement pour l'anode d'un tube à vide, toujours conforme
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à l'invention , mais avec des ailettes de refroidissement de dispositions combinées longitudinales et annulaires. la figure 10 qui est un fragment , grande échelle de la section transversale du dispositif de la figure 9, suivantla droite 10-10 - la figure 11, qui est la section verticale d'une disposition encore modifiée du refroidissement pour l'anode d'un tube à vide - la figure 12 qui est un fragment à grande échelle de la section transversale du dispositif de la figure 11 selon la droite 12-12.
Un système de refroidissement réduit à sa forme la plus simple est représente sur les figures 1 et 2, montrant, selon les principes de l'invention, une disposition pour refroidir une anode 10 constituant une partie de l'enveloppe d'un tube vide 11.
Dans le cas d'un tube de cette espèce , on peut avoir à dissiper une énergie calorifique de 300 watts par@@@centiètre carré de surface d'anode et l'on admettra , pour les besoins de l'expose , que la plus haute température que le tube puisse supporter sans dommage est de 320 degrés. centigrade à la surface de l'anode Si l'on veut refroidir efficacement avec de l'eau, la plus haute température acceptable pour cette eau sera de 100 degrés centigrade, ce qui laisse 220 degrés centigrade de différence avec la température limite acceptable sur l'anode.
Si l'anode 10 est entourée par une pièce tubulaire 12 dont la surface intérieure porte un certain nombre d'ailettes longitudinales 13 espacées régulièrement et s'étendant radialement jusqu'au contact de la surface de l'anode, la température de l'anode tendra à se propager vers l'extérieur par ces ailettes vers la pièce tubulaire la. En choisissant convenablement la largeur de ces ailettes , l'aire circulaire qui est embrassée en s'éloignant de l'anode peut augmen- ter de telle sorte que la chaleur qui devait être prise sur la surface rayonnante effective ( chaleur évaluée à 300 watts par centimètre carré d'anode) soit réduite à 75 watts par centimètre carré, soit à l'équivalent d'une température de 100 degrés centigrade.
Les ailettes qui répondent à une telle condition peuvent alors être refroidies au moyen d'une circulation d'eau convenable, grâce à une enveloppe 14 entourant la pièce tubulaire 12 à une certaine distance de celle-ci, l'entrée de l'eau étant en 15 et sa sortie en 16.
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Avec cette disposition , l'eau servant au refroidissement ne sera jamais en contact avec des parties motalliques au-dessus de 100 degrés centigrade et, ainsi, le refroidissement sera tout fait efficace. Le gradient de température de 320 degrés qui existera entre la surface de l'anode et les parties métalliques en contact avac l'eau est la manifestation permanente de l'écoulement de la chaleur do l'anode vers l'appareil à circulation d'eau .On notera que, si une anode à ailettes était simplement plongée dans l'eau, le gradient de température n'existerait pas et la chaleur ne serait pas dirigée.
Une autre réalisation préférentielle de l'invention est représentée par les figures ;3 et 4. L'anode 30 du tube 31 est enfermée dans un dispositif de refroidissement comportant des ailettes 33 engagées contre la surface de l'anode. Les bords extérieurs de ces ailettes sont encerclées par un (ou plusieurs) serpentins de tubes de refroidissement dans lesquels circulera un fluide refroidissant , Un seul serpentin 34, ayant son entrée en 35 et se sortie en 56 est représenté sur la fleure 5.
Pour aider à l'action de refroidissement , la dispositif de la figure 3 comporte également un collier de tête annulaire 57 adapté pour déverser vers le bes , le long des ailettes, du fluide finement divise par des-ajustages ou ouvertures convenables 38. Grâce à cet arrangement complémentaire la température aux bords extérieurs des ailettes 33 (bords en contact avec les tubes refroidisseurs 34) peut être inférieure à 100 degrés centigrade, de telle sorte qu'un seul serpentin refroidisseur sera suffisant .
L'emploi du collier arroseur sur les ailettes 33 offre l'avantage de pouvoir utiliser la chaleur latente d'évaporation de l'eau tombant sur les ailettes. Le refroidissement principal reste cependant réservé au liquide circulant dans le tube 3,;,et les principes de base de l'invention , notamment l'utilisation du gradient de température dans les ailettes pour limiter la température de celles-ci à 100 degrés environ (ou moins) au contact de la paroi refroidissante, sont entièrement maintenus.
Une autre réalisation préférée de l'invention est représentée par les figures 5 et 6, dans lesquelles l'anode 50 du tube 52 est toujours refroidie par un dispositif comportant une pluralité d'ailettes 52.
Les ailettes sont assemblées et supportées de façon convenable, qui sera comprise par l'homme de l'art et dont les détails ne sont pas donnés ici.
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Cette remarque s'applique, non seulement aux figures 5 et 6, mais encore à toutes les autres réalisations de l'invention qui sont ici décrites.
Dans la réalisation préférée des figures 5 et 6 , les ailettes longi- tudinales 52 sont plus larges que dans les types illustrés par les figures 1 à
4, de façon telle que la chaleur à dissiper par les bords extérieurs de ces ailettes puisse être prise à une température moyenne de 65 degrés centigrade. Les ailettes sont alors refroidies par un certain nombre de groupes de tubes verti- caux 56, 57, 58. L'eau de refroidissement arrive par les tubes d'amenée 56, les- quels sont, de préférence ,réunis ensemble à leur base par un procédé convenable, tel un collier 59. L'eau monte par les tubes 56, descend par les tubes 57 et remonte ensuite par les tubes 58, l'ensemble de ces dispositions assurant un refroidissement très complet des ailettes.
Les extrémités supérieures des tubes
58 peuvent être reliées ensemble par un collier 60, qui sert de collier général de sortie pour l'eau de refroidissement. Si l'arrangement a été bien calculé, la température des ailettes au voisinage des tubes 56 sera d'environ 65 degrés centi- grade et l'eau qui circule dans les tubes 56 atteindra cette température qu'à la sortie des tubes 56. Cette température se maintiendra dans les tubes 57, mais les tubes 58 seront adjacent, à des parties des ailettes où la température est d'environ 100 degrés centigrade et l'eau y absorbera encore de la chaleur et ne sortira du collier 60 qu'à une température très voisine ( quoiqu'au-dessous) du point d'ébullition.
On voitde nouveau que , sous la forme illustrée par lesfigures bet 6, le principe de réaliser un gradient de température sur des ailettes 52 est toujours observé et que, nulle part la température des ailettes ,aux points de contact avec le liquide refroidisseur, ne dépasse le point d'ébullition de ce liquide.
Les figures 7 et 8 représentent une autre réalisation de l'invention dans le}quelle l'anode 70 du tube 71 est enfermée dans un dispositif de refroidissement où une pluralité d'ailettes longitudinales 72, venant de la surface intérieure d'une enveloppe 71 sont en contact avec l'anode. Une seconde série d'ailettes 75 est disposée à l'extérieur de l'enveloppe 74. Ces dernières ailettes, pour avoir l'efficacité maximum, doivent être de section triangulaire, comme on le voit sur la figure 8. Chacune d'elles est perforée et, dans le cas des figures
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7 et 8, un triple système de tuyaux de refroidissement 75, 77 et 78 passe par ces perforations.
Les tuyaux correspondants de chaque série sont reliés par des colliers de distribution, savoir : les colliers de distribution 8C et 81 pour les tuyaux 78; les colliers 82 et 83 pour les tuyaux 77 et enfin les colliers 84 et85 pour les tuyaux 78.
Au delà des ailettes 75, le collier de distribution inférieur 80 de la rangée de tuyaux la plus extérieure est relié au collier de distribution supérieur 83 de la rangée médiane des tuyaux (tuyaux 77) par une sériede petits tuyaux 86, De même, le collier inférieur 82 de la rangée médiane de tuyaux de refroidissement est relié par des tuyaux 87 ou collier supérieur 85 de la rangée interne des tuyaux de refroidissement (tuyaux 78).
L'arrivée du fluide refroidissant est représentée en 88, dans le collier de distribution 81 ; la sortie de ce fluide s'opère en 89 à partir du collier 84,
Au lieu des tuyaux individuels 86 et 87 disposés en grand nombre pour l'interconnexion des colliers de distribution, on peut se servir d'un tuyau unique de capacité convenable pourvu que la circulation générale du liquide se maintienne partout comme il est indiqué par des flèches sur la figure 7.
La section triangulaire des ailettes 75 doit être calculée , de préférence, de telle sorte que la variation de le section par laquelle la chaleur sera transmise soità peu près proportionnelle à la variation de la chaleur à transmettre; dans ces conditions, la chute de la température sera linéaire le long des ailettes.
Le sens de l'écoulement du fluide est le même dans les tubes 76, 77 et 78, les tubes 76 étant les plus froids et les tubes 78 les plus chauds.
La construction de ce dispositif serait sim@lifiée si les ailettes 75 étaient de section reotangulaire au lieu d'être de section triangulaire. Il en résulterait bien une certaine diminution de rendement , mais ,si les ailettes sont convenablement proportionnées , le refroid@ssement effectif peut être ac- oompli de façon satisfaisante. Dans le cas d'ailettes 75 à section rectangulaire, l'épaisseur de ces ailettes sera choisie , de préférence, d'environ des deux tiers de leur largeur.
Une autre réalisation de l'invention est encore représentée par les figures 9 et 10 où l'on voit l'anode 90 du tube 91 entourée par un dispositif de
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refroidissement comprenant une enveloppe 92 à partir de la surface intérieure de laquelle se projettent des ailettes 93 venant jusqu'au contact de l'anode 90. De l'autre cote de l'enveloppe 92, une pluralité d'ailettes hélicoïdales 94 font corps avec l'enveloppe ou bien lui sont attachées de façon convenable. Les ailettes 94 sont de section rectangulaire comme on le voit sur la figure 9, mais elles peuvent aussi être de section triangulaire comme l'étaient les ailettes 75 de la figure 8.
L'ensemble représenté par la figure 9 comporte douze ou quinze ailettes, bien qu'un nombre arbi traire convenable puisse être adopté, entre lesquelles sont disposées une couche inférieure de tubes de refroidissement 95 et une couche supérieure 96. Les tubes 96 sont reliés individuellement à un collier supérieur de distribution 97 p,ourvu d'un tuyau d'alimentation 98; ils sont régulièrement espacés sur la circonférence de ce collier. Les extrémités inférieures des mêmes tubes sont reliées de façon similaire à un collier inférieur 99 qui sera relié à son tour, par un tuyau 100, au collier de distribution supérieur 101 servant à réunir les extrémités supérieures des tubes 95.Les extrémités inférieures des tubes 95 sont enfin réunies par le collier inférieur 102, lequel est pourvu d'une tuyauterie de sortie 103.
Comme dans les réalisations déjà décrites, les ailettes 93 créant un gradient de température entre l'anode 90 et l'enveloppe 92, cette dernière étant refroidie par le dispositif de circulation d'eau qui produit un gradient de température dans les ailettes extérieures 94.
L'arrangement représenté sur les figures 9 et 10 fournit un moyen d'utiliser de petits tubes pour faire circuler effectivement une grande quantité de liquide, de sorte que le nombre voulu de litres à la minute peut être injecté dans les tubes de refroidissement.
Les réalisations préférentielles qui ont été décrites étaient conques pour utiliser de l'eau comme liquide refroidisseur et de telle sorte que la tempé- rature du corps à refroidir ne puisse pas porter cette eau à l'ébullition, ce qui aurait fait perdre de l'efficacité au système,
Il est cependant visible que les divers modes de refroidissement qui font l'objet de l'invention et, particulièrement , ceux qui sont représentés sur les figures 3 à 10 , peuvent opérer avec succès à des températures considérablement plus élevées que la température d'ébullition de l'eau. Ceci est dû au fait que la résistance à la formation des bulles de vapeur est plus grande dans ;la.
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présenta système present que dans les sytèmes à circulation d'eau ordinaires.
Pour pouvoir se former, les bulles de vapeur doivent déplacer un égal volume d'eau . Dans les enveloppes d'eau ordinaires, ceci se produit aisément, l'eau étant simple- ment poussée tout autour de l'anode. Dans les appareils de la présente invention, pour se former en vapeur, chaque bulle doit imprimer une grande augmentation de vitesse à une longue colonne d'eau circulant dansun tube étroit avec beau- coup de frottement et, par conséquent, il faut une température très supérieure à celle du point d'ébullition de l'eau pour surmonter la pression de l'eau dans les tubes et engendrer de la vapeur.
Dans les figures 11 et 12, on a représenté une autre réalisation de l'invention, en vue de refroidir avec un liquide autre que l'eau, tel que le " Prestone" et permettant une plus haute température au contact du liquide.
L'anode 110 du tube 111 est enfermée dans une chemise relativement épaisse 112 d'un métal conducteur convenable faisant contact avec l'anode par sa surface intérieure et portant à sa surface extérieure, soit faisant corps avec elle, soit convenablement fixée , une aailette hélicoïdale unique 113. Entre les cir- convolutions de cette ailette, sont disposées, par exemple, trois couches de tubes 114,115 et 116 pour la circulation du fluide refroidissant.
Le fluide est amené par le tuyau 117 au bas de la couche la plus extérieure 116, il est ramené par un tuyau 118 du sommet des tubes 116 au bas des tubes 115 constituant la couche moyenne des tubes de refroidissement et enfin par un tuyau 119 du sommet des tubes 115 au bas dos tubes 114 qui constituent la couche interne des tubes de refroidissement . La sortie du liquide refroidisseur s'effectue par le tuyau 120 à la partie supérieure des tubes 114. La chemise métallique 112 assure le gradient de température entre la surface de l'anode et les tubas de refroidisse- mentdisposds en spi@@le,
La construction représentée par les figures 11 etla peut être modifiée pour permettre le débit d'un plus grand volume de fluide en adoptant une dis- position des tubes de refroidissementen parallèle, mais avec un fluide refroi- disseur tel que le " Prestone" il suffit de moins de tubes en parallèle,
D'autres modifications de l'invention seront apparentes pour l'homme de l'art sans sortir de la portée définie par les principes de l'invention.