CH514828A - Procédé et appareil de refroidissement d'un objet rayonnant de la chaleur - Google Patents

Description

  
 



  Procédé et appareil de refroidissement d'un objet rayonnant de la chaleur
 La présente invention a pour objet un procédé de   refroidissement    d'un objet rayonnant de la chaleur.



   Depuis des   sièges,    on fait circuler des   fluides    réfrigérants dans ou sur des objets à refroidir afin d'emmener la chaleur émanant de ces objets. Des systèmes de ce genre sont toutefois d'une efficacité limitée par le coefficient de transfert de chaleur et d'autres caractéristiques du réfrigérant, la quantité et le débit de ce réfrigérant et, du point   de    vue pratique, la quantité d'énergie ou de puissance nécessaire pour faire circuler le réfrigérant.



   Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on fait circuler un gaz dans un espace contenant l'objet, on règle et on maintient la pression absolue du gaz à l'intérieur de l'espace à au moins deux atmosphères.



   Bien que ce procédé convienne particulièrement au refroidissement de sources concentrées de chaleur, afin d'éviter les   surchauffes,      notamment    au   refroidissement    de pièces électroniques, il peut également être utilisé pour refroidir des sources de chaleur peu concentrée, qu'il est coutume de refroidir par circulation d'air.



   L'appareil pour la mise en oeuvre du procédé   selon    l'invention est caractérisé en ce qu'il   comprend    un   conduit    dont une partie est disposée de façon à pouvoir absorber la chaleur émanant de l'objet rayonnant de la chaleur, un dispositif pour introduire un gaz dans le conduit sous une pression absolue supérieure à la pression extérieure au   conduit,    une   soufflerie    disposée dans le conduit pour y faire circuler le gaz, et un dispositif d'échange de chaleur disposé à un autre endroit du conduit et à travers lequel le gaz est mis en circulation.



   Plusieurs formes de réalisation de l'appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention seront décrites, à titre d'exemple, avec référence au dessin annexé dans lequel:
 La fig. 1 est une représentation schématique d'un premier appareil de refroidissement d'une cavité de laser.



   La fig. 2 est une vue en coupe, à une échelle quelque peu agrandie, suivant la ligne 22 de la fig. 1.



   La fig. 3 est un graphique montrant les gammes opératoires du gaz sous pression, cette pression étant donnée en abscisse en atmosphères, par rapport à la viscosité (rapport de celle-ci avec la viscosité de l'air courant, c'est-à-dire
EMI1.1     
 par rapport à la chaleur spécifique   Cp    (rapport de celle-ci avec la constante de gaz absolue), et par rapport à la conductivité thermique K (en   kgcal/heure-    m2-0   C/mètre),    ces   trois    dernières valeurs étant   don    nées en ordonnée.



   La fig. 4 est une représentation schématique d'un second appareil.



   Dans le refroidissement de sources concentrées de chaleur, par exemple des pièces électroniques, des lasers, des tubes à arc etc., et dans le   refroidissement    de sources de chaleur peu concentrée, qui sont refroi   dies    grâce à une convection forcée, soit directement, soit à l'intervention d'échangeurs de chaleur, de plaques froides etc., il est   coutume    de faire circuler, par exemple, de l'air sur les pièces à refroidir.

  Dans un tel refroidissement, on a trois équations qui régissent la somme de refroidissement que   l'on    peut obtenir, à savoir:
 Q = W Cp   atair    (1)
   Q = h A Atm    (2) et
 hD
   hD = C (Re) m(Pr)n    (3)
 K     Oit   
 Q = chaleur transférée en kw
 C, = chaleur spécifique en   kgcal/kg-     C
   air    = élévation de température de l'air en        C    Atm = différence de température moyenne   
 logarithmique,        C
 W = circulation massique d'air, dm3/heure
 h = coefficient de transfert de chaleur,
   kgcal/heure=m2-0    C
 A = aire superficielle de la pièce, mètre carré
 D = diamètre de la pièce ou du conduit,

   mètre
 m = exposant dont la valeur est 0,8
 pour une circulation turbulente
 n = exposant dont la valeur est 0,4
 pour une circulation turbulente
 K = conductivité thermique de l'air,
   kgcal/heurm2-0    C/mètre
 Re = nombre de Reynolds, et
 Pr = nombre de Prandt.



   En considérant l'équation (1), on peut voir que l'élévation de température de l'air est déterminée par sa chaleur spécifique, la circulation massique d'air et l'admission totale   ede    chaleur dans l'air. La température de la pièce est cependant déterminée également par le degré d'association existant entre le courant d'air et cette pièce. Ceci est exprimé par le coefficient de transfert de chaleur   b    et, de l'équation (2), on peut observer que la différence de température qui existera entre le courant d'air et la pièce (différence de température moyenne logarithmique   #tm)    sera affectée par l'élévation de température   Êtair    de l'équation (1).

  Le coefficient de transfert   de    chaleur h est déterminé par l'équation (3) qui met en   corrélation    le coefficient de transfert de chaleur avec divers paramètres sans dimension, qui englobent la vitesse, la densité, la viscosité et la conductivité thermique du fluide.   I1    est avantageux par conséquent, si on doit obtenir un refroidissement optimum, d'augmenter le coefficient de transfert de chaleur jusqu'à sa valeur maximum en obtenant le nombre de Reynolds le plus élevé possible.



  Comme le nombre de Reynolds est directement proportionnel à la vitesse de la circulation, cela suppose habituellement le choix de la plus grande vitesse possible de l'air sur les pièces à refroidir. Il y a cependant une limitation à la vitesse de l'air que   l'on    peut obtenir économiquement, car cette vitesse de l'air doit se traduire sous la forme d'une chute de pression, ce qui finalement a pour résultat une dépense de puissance.



  L'équation de la chute de pression est la suivante:    Ap 2 f Gt   
 (4)
 L   144geD   
 où
 16
 f =   ---    pour une circulation laminaire
 Re
 0,046
 f = ---- pour une circulation turbulente
 (Re) 0,2
 G = vitesse massique de l'air, dm3/heure
 par m2 de section transversale
 g = accélération de la pesanteur, 9,81 m/sec2, et
   e = densité,    kg/dm3.



   L'équation de la puissance, donnant un résultant en
 chevaux Ch (1 Ch = 76,04 kgm/sec) est:
 Wa X   Ap    X 144    Ch = (5)   
   Qa    x   ne    X 550 X 3600 où
 Wa = circulation globale de l'air, dm3/heure
   Ar    = chute de pression en kg/cm2
   densité    de   l'air    en   kg/dms,    et    21e = rendement du compresseur,   
 de la soufflerie ou du ventilateur.



   La caractéristique fondamentale du présent procédé est l'utilisation de certains gaz sous pression ou comprimé de façon critique, mis en circulation dans le système de   refroidissement.    Dans l'utilisation de gaz comprimés, on a obtenu plusieurs avantages remarquables. En premier lieu, pour la même puissance il est possible d'obtenir une valeur Atair beaucoup plus petite (voir équation (1)).



   En second lieu, pour la même puissance, il est possible d'obtenir une valeur beaucoup plus grande de h, en maintenant ainsi la température des pièces à une valeur beaucoup plus petite. Ce système de refroidissement à gaz comprimé peut, par conséquent, être utilisé soit pour   refroidir    les pièces particulières, par exemple les lasers, les tubes à arc   etc.,    comme dans le système de la fig. 1, soit dans des échangeurs de chaleur du type à tubes et ailettes, afin de transférer de façon efficace la chaleur à des systèmes de réfrigérant secondaires, comme on le décrira par la suite en se référant à la forme de réalisation de la fig. 4.

 

   Une autre caractéristique du procédé réside dans la constatation et l'utilisation du fait que, pour un certain nombre de gaz, tels que l'azote par exemple, il y a des zones suivant lesquelles la viscosité ne se modifie pas de façon importante au fur et à mesure que la densité augmente. Comme le nombre de Reynolds Re peut s'écrire de la façon suivante:
 DVe 4W
 Re =    --- ---       M MP     où V = vitesse en m/heure;   ,c    = viscosité en kg/heuremètre; p = périmètre   mouillé    de l'échangeur de chaleur en mètres; W = circulation massique d'air, kg/heure; on peut alors voir   immédiatement    que, si la viscosité ne se modifie pas, le   nombre    de Reynolds est directement proportionnel à W.

  En se référant à nouveau à l'équation (4), il sera évident que, Si la circulation massique de gaz dans un système est maintenue constante tandis que la densité est augmentée, la chute de pression sera inversement proportionnelle à la   densité.    En conséquence, si un système est comprimé à 10 atmosphères, de sorte que la   densité    augmente d'un facteur de 10, on peut obtenir la même circulation massique pour 1/10 de la chute de   pression    à travers le système. De nouveau, si la circulation massique est   mainten,ue    identique, on peut observer de l'équation (5) que la puissance requise pour pomper la même circulation massique à 10 fois la densité est alors de 1/100 de la puissance requise à la pression atmosphérique.



   Si, de plus, au lieu de maintenir identique la circulation globale, la puissance requise pour le pompage est maintenue identique, il   s'ensuit    alors que le produit   
 Wa#p
 # a    restera constant. Ceci peut être réalisé en maintenant
Ap constant   dans    le système. Pour une puissance constante,   cependant,    il apparaît que   Wcue0,73.    et que   hCUW08,   
 Comme on l'a démontré mathématiquement cidessus, une augmentation de la densité de 10 fois à la même puissance aura ainsi pour résultat une augmentation de 3,7 fois du   coefficient    de transfert de chaleur.



  En outre, l'élévation de température de l'air (équation (1)) sera réduite d'un facteur de 10, de manière à   réduire non seulement la valeur de Ataîr dans l'équation (1), mais également la valeur Atm dans l'équation (2).   



   Un appareil utilisant les concepts susdits est illustré par la fig. 1, concernant une application au problème du refroidissement d'une cavité de laser 1 contenant une électrode de laser 3, qui est excitée par le rayonnement provenant d'une lampe à arc adjacente 5 montée entre des réflecteurs supérieur et inférieur 7 et 9 (fig. 2). La source concentrée   de    chaleur représentée par la cavité de laser 1 est disposée à l'intérieur d'un espace limité ou conduit 2 ou fait partie de ce même espace au conduit, ce dernier comportant une admission de gaz sous pression 4 et une sortie 6, que   l'on    fait fonctionner pour obtenir un système fermé dans lequel le gaz circule à travers le conduit 2 (et dans la cavité de laser 1 qui s'y trouve) sous l'action d'une soufflerie de circulation 8, excitée électriquement depuis l'extérieur en 8'.

  Le   rayonnement    provenant du laser 3 est transmis par le gaz en circulation et par une fenêtre 10 prévue dans le conduit 2. L'échange de chaleur   extérieuremjenb    au   conduit    2 est réalisé grâce à une portion   d'échange    de chaleur 2' de ce conduit 2, portion qui est pourvue de serpentins externes 2".



   Dans le cas d'azote   sous    pression introduit par le conduit 4, par exemple, à 270 C, on a déterminé que, dans la zone d'environ 2 à environ 10 atmosphères, chacune des   caractéristiques    pression-viscosité (courbe inférieure en trait   interrompu),      pression-chaleur    spécifique (courbe en trait mixte) et   pressioneconductivité    thermique (courbe en trait plein) reste pratiquement constante dans les gammes respectives de   1,074-1,093    (rapport de la viscosité par rapport à celle de l'air courant), de 3,51-3,55 (rapport de la chaleur spécifique à la constante de gaz absolue),

   et de 16,88-16,91   kgcal/    heure-m2-0   C/mètlre.    Ce caractère constant s'étend en réalité au moins jusqu'à 100 atmosphères (et   plus),    pression à laquelle le rapport des viscosités, le rapport des chaleurs spécifiques et la conductivité thermique ont respectivement des valeurs de 1,187, de 3,66 et de 17,30.



   Un des avantages supplémentaires de l'utilisation d'azote sous pression dans le système de la fig. 1 réside dans la caractéristique fortuite (comparativement avec les   réfrigérants      fluorocarbonés    actuels) que le rayonnement ultraviolet des tubes à arc ne provoque pas de décomposition ou de dégradation quelconque dans la transmission du rayonnement visible sur les zones en cause, le gaz restant transparent sur de larges bandes de longueurs d'onde extérieures aux longueurs d'onde d'absorption.



   Dans des essais avec de l'azote sous pression à environ 20 atmosphères, tandis qu'un objet rayonnant de la chaleur se trouve dans le conduit 2 et qu'une soufflerie 8 fait circuler le gaz à raison d'environ 23,6 dm3/sec, en   produisant    une chute de pression sensiblement consitante, on obvient une différence de température nettement plus petite entre l'objet et le système de   refroidissement    par échange de chaleur 2" qu'avec de l'azote ne se trouvant pas sous pression.



   On peut utiliser également d'autres gaz ayant certains des avantages de l'azote. De l'air comprimé, qui évidemment contient de l'azote, se comporte assez semblablement à celui-ci. L'oxygène a pratiquement la conductivité thermique que l'azote, environ 12,5   O/o    de chaleur spécifique en moins et environ 12,5   O/o    de   vis-    cosité en plus. La viscosité de l'hélium est à peu près la même que celle de l'oxygène, tandis que la chaleur spécifique de l'hélium est d'environ 5 fois celle de l'azote et que sa conductivité thermique est d'environ 5 fois celle de l'azote et que sa conductivité thermique est d'environ 6 fois celle de l'azote et de l'oxygène.



  L'hydrogène a environ 15 fois la chaleur spécifique de l'azote, environ la moitié de la viscosité de l'azote et environ 7 fois la conductivité thermique de l'oxygène et de l'azote. L'hydrogène et l'oxygène sont cependant plus dangereux à cause de leur caractère explosif sous pression.



   De façon plus   particulière,    on peut considérer le cas d'un conduit 2 d'un diamètre de 1,25 cm environ, d'une longueur d'environ 30 cm et d'une aire superficielle interne d'environ 115 cm2, et un chauffage externe à raison de 100 watts, de l'air atmosphérique circulant à travers le conduit grâce à la soufflerie 8 à raison de 4,72 dm3/sec., avec pour résultat une chute de pression de l'ordre de   0,0161 kg/cm2.    La puissance peut être calculée en partant de l'équation (5) de la façon suivante:
 10 X 60 X 0,23 X 144    Ch =   
   n    X 550 X 3600
Si le   rendement    de la soufflerie 8 est supposé être de 100   O/o,    on obtient une valeur de 0,00285 (Ch) ou de 2,6 watts. 

  On trouve alors que l'élévation de température   Ataîr    (équation (1)) est de 18,90 C et on trouve  que le coefficient de transfert de chaleur h est de 136 (Re = 28 000). Par substitution dans l'équation (3), on   obtient Atm = 54" C. Comme Atair = 18,90 C, la    température moyenne du tube est par conséquent d'environ   54et9,45,    soit 63,450 C au-dessus de la température de l'air   d'admisEsion.   



   Par contre, on peut considérer de l'air mis sous pression à une pression absolue de 20 atmosphères,   c' est-à-dire
 # 2
 ---- = 20.



   # 1   
Il s'ensuit que    # 2   
 (----) 0,57 = 5,5    # 1    d'où on obtient h =5,5+136, soit   748,    ce qui donne une valeur   Atm    de   10     C. De façon similaire, la valeur   a a alors été réduite à Ata = environ 1" C. Ceci    a alors pour résultat une température de pièce   d'en-    viron 110 C; ce qui représente une amélioration importante par rapport à la valeur précédente de   63,45     C, ceci démontrant à nouveau l'efficacité du présent procédé.

 

   Bien que le procédé ait été décrit en se référant au fait que l'objet à refroidir est disposé dans et en contact avec le gaz sous pression en circulation, le refroidissement peut être réalisé grâce à une plaque froide 12 (fig. 4) le long de laquelle, par exemple, s'étend une portion en zigzag du conduit et qui est placée en contact de transfert de chaleur avec un objet extérieur à refroidir. De façon similaire, une circulation réalisée par convection peut être utilisée dans certains systèmes au lieu de la soufflerie S ou en complément de celle-ci. 

Claims (1)

1. REVENDICATIONS

   I. Procédé de refroidissement d'un objet rayonnant de la chaleur, caractérisé en ce qu'on fait circuler un gaz dans un espace contenant l'objet, on règle et on maintient la pression absolue du gaz à l'intérieur de l'espace à au moins deux atmosphères.

   II. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit dont une partie est disposée de façon à pouvoir absorber la chaleur émanant de l'objet rayonnant de la chaleur, un dispositif pour introduire un gaz dans le conduit sous une pression absolue supérieure à la pression extérieure au conduit, une soufflerie disposée dans le conduit pour y faire circuler le gaz, et un dispositif d'échange de chaleur disposé à un autre endroit du conduit et à travers lequel le gaz est mis en circulation.

   SOUKREVENDICATIONS 1. Procédé suivant la revendication I, dans lequel l'objet est une source d'irradiation et le gaz est sensiblement transparent à cette irradiation.

   2. Procédé suivant la revendication I, dans lequel l'énergie produisant la circulation est injectée dans le gaz depuis une source externe, tandis qu'on maintient la chute de pression à travers l'espace à une valeur constante.

   3. Procédé suivant la revendication I, dans lequel la circulation du gaz est réalisée par convection.

   4. Procédé suivant la revendication I, dans lequel le gaz consiste en de l'azote et la pression absolue est maintenue à au moins 10 atmosphères.

   5. Procédé suivant la sous-revendication 4, dans lequel la pression est réglée pour donner une viscosité de gaz à 270 C, par rapport à de l'air courant, se situant dans la gamme de 1,0741,187, une chaleur spécifique par rapport à la constante de gaz absolue, se situant dans la gamme de 3,51-3,66, et une conductivité thermique se situant dans la gamme de 16,8816,91.

   6. Procédé suivant la sous-revendication 4, dans lequel la pression absolue se monte à au moins 20 atmosphères.

   7. Procédé suivant la revendication I, dans lequel le gaz consiste en un gaz choisi dans le groupe comprenant l'azote, l'oxygène et l'air.

   8. Procédé suivant la revendication I, dans lequel le gaz consiste en un gaz choisi dans le groupe comprenant l'hydrogène, l'hélium, l'oxygène, l'azote et l'air.

   9. Appareil suivant la revendication II, dans lequel on prévoit un dispositif réglant la pression absolue à une valeur d'au moins deux atmosphères.

   10. Appareil suivant la sous-revendication 9, dans lequel on prévoit un moyen pour disposer l'objet à refroidir dans le parcours du gaz en circulation à l'intérieur du conduit.

   11. Appareil suivant la sous-revendication 10, dans lequel l'objet à refroidir consiste en une source d'irradilation et le gaz est pratiquement transparent à cette irradiation.

   12. Appareil suivant la sous-revendication 11, dans lequel l'objet à refroidir consiste en un dispositif laser.

   13. Appareil suivant la sous-revendication 12, dans lequel l'objet à refroidir consiste en une lampe à arc placée avec le dispositif laser dans le parcours à l'intérieur du conduit en vue nde l'exciter.

   14. Appareil suivant la sous-revendication 9, dans lequel une partie du conduit consiste en une plaque refroidie par l'extérieur.