BE1024200B1

BE1024200B1 - Système de contrôle thermique dynamique par matériaux à changement de phase

Info

Publication number: BE1024200B1
Application number: BE2016/5336A
Authority: BE
Inventors: Maïwenn Larnicol; Jean Crahay; Nicolas Nutal
Original assignee: Centre De Recherches Metallurgiques Asbl - Centrum Voor Research In De Metallurgie Vzw
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2016-05-13
Publication date: 2017-12-12
Also published as: BE1024200A1

Abstract

La présente invention se rapporte à un dispositif de contrôle thermique destiné à confiner la température d’un équipement thermique, c’est-à- dire un élément échangeant de la chaleur avec le milieu extérieur, dans un intervalle de température prédéterminé, via une surface d’échange thermique, ledit dispositif comprenant un volume d’échange/d’absorption thermique (1) constitué d’un bloc solide (10) dont une surface (2) est apte à être mise en contact thermique avec une surface dudit équipement thermique, caractérisé en ce que ledit bloc solide (10) contient des canaux ou logements (3) incorporant des matériaux à changement de phase (MCP), lesdits canaux (3) ayant un axe principal orienté sensiblement le long de ladite surface (2).

Description

SYSTÈME DE CONTRÔLE THERMIQUE DYNAMIQUE PAR MATÉRIAUX À

CHANGEMENT DE PHASE

Objet de l'invention [0001] La présente invention se rapporte au domaine technique des échangeurs de chaleurs et des systèmes de contrôle de température dans le cas de produits ne pouvant se conserver, respectivement d’appareillages ne pouvant fonctionner correctement, que dans une plage de température déterminée et/ou dans un intervalle de temps déterminé.

[0002] En particulier, l’invention concerne des dispositifs de contrôle thermique de composants électroniques, y compris ceux dont le fonctionnement comprend des pics de dissipation importants.

Arrière-plan technologique et état de la technique

Glossaire [0003] La définition de plusieurs paramètres relatifs aux propriétés thermiques des matériaux qui seront mentionnés dans cet exposé est rappelée ci-après : - Conductivité thermique λ : c’est la capacité d’un matériau à transférer de la chaleur par conduction. Elle s’exprime en W/m.K; cette unité exprime la quantité de chaleur qui se propage par conduction thermique en 1 seconde, à travers 1 m2 d'un matériau, ayant une épaisseur de un mètre, lorsque la différence de température entre les deux faces est de 1 K. - Diffusivité thermique D : c’est la capacité d’un matériau à transmettre une variation de température d’un point à un autre. Elle s’exprime par À D=-r~ P * Cm où λ est la conductivité thermique du matériau (en W/m.K), ρ est la masse volumique du matériau (en kg/m3) et Cm est la chaleur spécifique massique en J/kg.K. La diffusivité est le rapport entre la conductivité volumique et la chaleur spécifique volumique. Dès lors, elle mesure la vitesse de propagation d’une variation de température. L’unité de la diffusivité thermique D est le m2/s. - Chaleur latente de changement d’état (par ex. fusion ou solidification) : chaleur échangée entre le matériau qui change de phase et le milieu extérieur lors de la transition de phase ; elle s’exprime en J/kg. - Outre ces notions qui sont connues dans la littérature, les inventeurs ont voulu introduire un paramètre utile pour décrire le comportement dynamique d’un système de contrôle thermique basé sur un changement de phase. En effet, en analysant comment l’énergie est absorbée dans un matériau à changement de phase (la fusion par exemple), comme représenté sur la figure 1, on peut établir une loi simplifiée décrivant le flux de chaleur entrant (à temps t>0), qui est donné par :

où t est le temps (secondes), F(t) est le flux d’énergie se propageant à l’instant t de la source dissipative vers le MCP (en W/m2), λι est la conductivité thermique du MCP liquide (en W/m.K), ρ est la masse volumique du matériau (en kg/m3), ΔΗ est l’enthalpie de fusion (en J/kg) et ΔΤ est l’écart de température entre la source et la température de fusion du MCP (en K). Le produit λι* p * ΔΗ apparaît comme le paramètre qui gouverne la réponse dynamique du système d’absorption. On choisit d’appeler ce paramètre λι * p* ΔΗ l’« absorption dynamique » du MCP. Elle s’exprime en J2/sec.m4K ; des valeurs typiques pour l’absorption dynamique sont de 20 à 50 MJ2/sec.m4K pour les paraffines et de 1000 à 2500 M J2/sec.m4 K pour les métaux.

Contrôle thermique [0004] La plupart des composants qui seront utilisés sont caractérisés par une plage de température au sein de laquelle ils peuvent fonctionner ou être stockés efficacement.

[0005] Un premier exemple est celui des moteurs électriques ou thermiques qui dissipent une partie de l’énergie qu’ils consomment sous forme de chaleur et qui dès lors ne peuvent bien fonctionner qu’à température de régime ou durant des périodes limitées.

[0006] Un deuxième exemple courant, le plus pertinent dans le cas de cette demande de brevet, est celui des composants électroniques. Comme les moteurs, ils ont un rendement limité, ce qui se traduit par le fait qu’une partie de l’énergie consommée est transformée en chaleur. C’est le cas des ordinateurs pour lesquels très souvent une soufflerie doit évacuer la chaleur dissipée pour éviter un échauffement dommageable des composants internes. C’est aussi le cas des électroniques de puissance comme celles des plaques de cuisson à induction. Plus généralement, les systèmes électroniques dissipent de la chaleur qu’il faut évacuer pour assurer un bon fonctionnement ; cette question est d’autant plus critique que la puissance gérée par l’électronique est importante et/ou que le rendement est limité. La question se pose de manière encore plus critique lorsque la puissance est dissipée en un temps court.

[0007] Il s’impose donc la nécessité d’un contrôle thermique, c’est-à-dire de l’ensemble des moyens qui peuvent être mis en œuvre pour conserver un composant dans sa plage de température de service, malgré la chaleur qu’il dissipe et en tenant compte de l’énergie qu’il échange avec son environnement. Dans de nombreux cas, le contrôle thermique vise à limiter des excursions de température vers le haut. Il peut arriver cependant qu’il faille, à l’inverse, protéger les composants contre un refroidissement excessif : c’est le cas pour les batteries électriques qui perdent de leur efficacité à basse température.

Matériaux à changement de phase [0008] Les matériaux à changement de phase (MCP) sont des matériaux qui ont pour fonction d’assurer un échange thermique lié à une transition de phase. Il ne s’agit pas d’une catégorie spéciale de matériaux mais plutôt d’une application particulière permise par leurs propriétés. Un exemple évident est l’eau. Elle permet des applications extrêmement nombreuses, presque innombrables. Une de ses applications est le stockage du froid dans la transition eau liquide-glace. Dans cette application, l’eau est utilisée comme matériau à changement de phase. De façon absolue, plusieurs types de transition de phase sont susceptibles de mettre en jeu des échanges énergétiques : transition solide-liquide, transition liquide-vapeur, transition solide-vapeur (par exemple neige carbonique), transition solide-solide. Les transitions les plus couramment utilisées sont celles relatives au passage de la phase solide à la phase liquide (ou inversement). La suite de la description sera centrée à titre exemplatif sur ce type de transition.

[0009] Selon les gammes de température, il existe différents types de MCP : organiques (comme les paraffines par exemple), les sels hydratés et les eutectiques pour en citer les principaux. Une autre catégorie de MCP est constituée par les métaux, et en particulier les métaux et alliages à bas point de fusion, c’est-à-dire inférieur à 100°C (alliages de Wood, de Field, gallium, etc.).

[0010] L’utilisation de MCP pour le stockage d’énergie est décrite par exemple dans : A. Sharma et al., Review on thermal energy storage with phase change materials and applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 318-345.

[0011] Les changements de phase sont utilisés pour leur aptitude au stockage thermique dans la mesure où la chaleur latente de changement d’état « concentre » des énergies importantes dans des plages de températures très serrées. Grâce à cette propriété, les MCP peuvent répondre à deux grands types d’applications : le stockage d’énergie thermique d’une part et le contrôle thermique d’autre part. Dans cette dernière application, les MCP sont mis en contact thermique avec le composant dont il faut contrôler la température. Lorsqu’ils atteignent leur température de transition solide-liquide, ils absorbent une bonne partie de l’énergie dissipée par le composant protégé et permettent ainsi de lutter contre un échauffement excessif. Un exemple d’une telle application est représenté sur la figure 2 qui montre l’évolution en température mesurée sur un système de contrôle thermique dans le domaine électronique dans lequel on a injecté une puissance constante.

Etat de l’art Enjeux [0012] Si les MCP permettent de stocker ou d’absorber des quantités d’énergie importantes, ils posent par contre un problème sérieux en ce qui concerne le transfert de chaleur au sein de leur volume propre. En effet, la plupart des matériaux MCP sont caractérisés par une conduction thermique faible, ce qui complique fortement leur utilisation.

[0013] Pour parler quantitativement, la plupart des MCP ont des conductivités thermiques de l’ordre de 0.2-0.6 W/m.K. A titre de comparaison, les conductivités thermiques respectives d’autres substances sont : cuivre ~380 W/m.K ; aluminium ~230 W/m.K ; polystyrène expansé (isolant thermique) 0.03 W/m.K. Les MCP sont donc bien plus proches des isolants thermiques que des bons conducteurs.

[0014] Cette caractéristique est particulièrement problématique lorsqu’il faut évacuer rapidement des quantités d’énergie concentrées sur des surfaces réduites. Une situation typique où ces problèmes sont observés est celle de composants qui dissipent de manière locale de grandes quantités d’énergie. Un exemple est constitué par les composants d’électronique de puissance, aujourd’hui souvent miniaturisés et qui gèrent des puissances électriques énormes. Ils ont certes des rendements élevés mais qui n’atteignent cependant pas 100%. Ils dissipent dès lors une fraction de l’énergie qu’ils gèrent et cette fraction représente une densité de puissance considérable qu’il faut éliminer pour éviter une surchauffe du composant électronique (des valeurs typiques de 5-500 kW/m2 sont observées). Les plus hautes valeurs, correspondant à des pics de puissance, sont bien entendu les plus préoccupantes et les plus difficiles à gérer.

[0015] Face à cette demande, la faible conductivité thermique des matériaux à changement de phase ne permet pas de répondre de manière suffisamment dynamique. C’est pourquoi différentes solutions ont été proposées pour accélérer le transfert de l’énergie thermique dans un volume de MCP.

Solutions actuelles pour le transfert de l’énergie thermique dans le volume des MCP

[0016] Le choix d’un MCP pour une application donnée se fait sur base de sa température de transition, de la chaleur latente de changement d’état et sur des critères technologiques (toxicité, réactions de corrosion, etc.). On cherche bien entendu, par ce choix du MCP, à optimaliser également la conduction thermique mais le plus souvent cette conduction est un paramètre intrinsèque.

[0017] Dès lors, puisque la faible conductivité thermique est une propriété sur laquelle on n’a pas d’action possible, on essaie généralement de résoudre le problème par deux méthodes, parfois menées en parallèle : (1) Augmenter la surface de contact entre le MCP et le système de transfert de chaleur ; (2) Doper la conductivité thermique du MCP en y incorporant des éléments plus conducteurs : on crée ainsi une espèce de composite qui vise à donner une réponse thermique plus rapide.

[0018] L’augmentation de la surface de contact peut prendre plusieurs formes : - ailettes de type échangeur qui sont en contact avec la paroi avec laquelle on veut échanger de l’énergie, ces ailettes étant le plus souvent en aluminium, qui est un bon conducteur de la chaleur et un matériau facile à usiner. Les ailettes sont sous forme de plans 11 (Figure 3) ou de pointes 12, qui offrent une plus grande surface de contact spécifique (Figure 4) ; - structure de type nid d’abeille 13 rendue thermiquement solidaire de la paroi d’échange, il s’agit d’une structure en aluminium usinée dans un bloc sous forme de nid d’abeille collé et rendu solidaire thermiquement de la face d’échange (Figure 5) (Ref : Humphries, W. R., "Performance of Finned Thermal Capacitors”, NASA TN D - 7690, July, 1974 Technical Note). Selon une forme d’exécution, les alvéoles du nid d’abeille peuvent contenir les MCP ; - mousse à cellules ouvertes rendue thermiquement solidaire de la face d’échange : cette mousse peut être par exemple en aluminium ou en cuivre (non représenté). Cependant, si les mousses représentent une solution élégante et isotrope, les contraintes de remplissage imposent par contre l’utilisation de mousses très ouvertes et dès lors moins bonnes conductrices thermiques ; - interface sous forme de tubes de petit diamètre ou capillaires qui contiennent les MCP, ceci pour des applications particulières (non représenté).

[0019] Par ailleurs, le dopage de la conductivité thermique peut se faire principalement de deux manières : - introduction de particules métalliques ou céramiques dans les MCP ; - introduction de poudre de graphite, ou de graphite exfolié dans les MCP.

[0020] Si on examine les différentes techniques mises en œuvre ci-dessus pour augmenter la surface de contact, on constate qu’elles ont deux points communs : A. la topologie est le plus souvent caractérisée par un axe principal qui est perpendiculaire à la surface avec laquelle on souhaite échanger de la chaleur (axe représenté sur les figures 3-5). On notera que ce n’est pas applicable pour la mousse métallique mais cette dernière est une moins bonne solution qu’attendu étant donné l’allongement du chemin thermique (voir ci-dessus) ; B. il faut assurer un bon contact thermique entre la face avec laquelle on souhaite échanger de la chaleur et les systèmes ajoutés ou rapportés (ailettes, pointes, nid d’abeille, mousse, etc.) ; ce contact thermique est réalisé soit via un usinage mais dans ce cas il s’agit d’une opération lourde en temps et en coût, soit par collage ou brasage mais dans ce cas la liaison est moins efficace et de plus elle est vulnérable et invisible, ce qui en fait un point faible de la construction. Ceci représente donc un inconvénient sérieux des solutions actuelles.

Buts de l'invention [0021] La présente invention vise à fournir un système d’échange et d’absorption de chaleur destiné à contrôler la température d’éléments sensibles à des excursions thermiques et que l’on veut protéger d'un échauffement excessif.

[0022] L’invention vise plus spécialement au contrôle thermique des composants d’électronique de puissance qui représentent un cas critique dans la mesure où, d’une part, les densités de puissance dissipées sont élevées et, d’autre part, la plage de température indispensable à leur fonctionnement est assez réduite.

Principaux éléments caractéristiques de l'invention [0023] Un premier aspect de la présente invention se rapporte à un dispositif de contrôle thermique destiné à confiner la température d’un équipement ou composant thermique, c’est-à-dire un élément échangeant de la chaleur avec le milieu extérieur, dans un intervalle de température prédéterminé, via une surface d’échange thermique, ledit dispositif comprenant un volume d’échange/d’absorption thermique constitué d’un bloc solide dont une surface est apte à être mise en contact thermique avec une surface dudit équipement ou composant thermique, caractérisé en ce que ledit bloc solide contient des canaux ou logements incorporant des matériaux à changement de phase (MCP), lesdits canaux ayant un axe principal orienté sensiblement le long de ladite surface du bloc solide.

[0024] Selon des modes de réalisation préférés de l’invention, le dispositif de contrôle thermique comporte en outre au moins une des caractéristiques suivantes, ou une combinaison appropriée de plusieurs d’entre elles : - le bloc solide est réalisé dans un matériau bon conducteur de la chaleur, dans lequel sont agencés les canaux ou logements contenant les MCP, lesdits canaux étant disposés en une ou plusieurs nappes s’éloignant le cas échéant de ladite surface ; - ladite surface est plane et l’axe longitudinal desdits canaux est parallèle à ladite surface plane, les canaux d’une même nappe étant de plus parallèles entre eux ; - les canaux appartenant à différentes nappes sont tous parallèles entre eux ; - les canaux appartenant à différentes nappes ne sont pas tous parallèles entre eux ; - les canaux appartenant à des nappes adjacentes sont perpendiculaires ; - les canaux sont des trous borgnes usinés dans le bloc solide, obturés du côté ouvert une fois les MCP introduits à l’intérieur de ceux-ci ; - les canaux ont une section circulaire, carrée, rectangulaire ou hexagonale ; - les canaux sont des logements usinés par électroérosion ; - les canaux de section circulaire contiennent des brosses métalliques cylindriques de diamètre légèrement supérieur à celui des logements ; - le bloc solide est réalisé en aluminium, cuivre, argent, béryllium ou un de leurs alliages, ou en composites à base de graphène ou de nanotubes de carbone ; - les MCP sont des paraffines, sels hydratés, acides gras ou métaux à bas point de fusion ; - l’introduction des MCP dans les logements est réalisée par coulée à l’état liquide, sous forme de bâtonnets solides ou sous forme de boîtiers à parois minces contenant les MCP, la section extérieure des boîtiers étant légèrement inférieure à celle des logements ; - les MCP sont dopés par introduction de particules métalliques ou céramiques, de poudre de graphite ou de graphite exfolié, ou encore de mousse réalisée en ces matières, pour augmenter la conduction thermique à l’intérieur des logements ; - tous les canaux parallèles d’une même nappe sont mis en communication par un canal qui leur est perpendiculaire et qui est étanche vis-à-vis de l’extérieur ; - un diamètre optimal des canaux, ou une grandeur caractéristique de la section des canaux, est choisie selon l’expression :

où D est la diffusivité thermique des MCP, τ est la constante de temps principale de l’équipement thermique dont il faut contrôler la température et K une constante ; - la distance entre les logements voisins d’une même nappe est optimisée en fonction de la chaleur à communiquer aux nappes supérieures, selon l’expression :

Distance entre axes = Diamètre logements + C + D * Fraction d'énergie à transmettre aux nappes supérieures où C et D sont des constantes ; - le dispositif de contrôle thermique contient des MCP ayant au moins deux températures distinctes de transition de phase. - le dispositif de contrôle thermique contient au moins une première nappe proximale de la surface d’échange contenant des MCP avec une première température de transition et au moins une seconde nappe distale de la surface d’échange contenant des MCP avec une seconde température de transition, la première température de transition étant supérieure à la seconde température de transition.

[0025] Un deuxième aspect de la présente invention se rapporte à un équipement ou composant thermique échangeant de la chaleur avec le milieu extérieur via une surface d’échange thermique, muni d’un dispositif de contrôle thermique comme divulgué ci-dessus, le contact thermique entre ladite surface du bloc solide et la surface d’échange thermique est assuré par une graisse de contact thermique, du graphite ou un métal liquide-visqueux à ces températures.

[0026] Alternativement, le contact thermique entre ladite surface du bloc solide et la surface d’échange thermique est assuré par brasage ou par collage.

[0027] De préférence, l’équipement thermique comprend des composants électroniques à haute ou très haute densité de puissance et/ou à plage de température de fonctionnement réduite.

Brève description des figures [0028] La figure 1 représente schématiquement l’absorption dynamique d’énergie dissipée dans un matériau à changement de phase.

[0029] La figure 2 représente l’évolution en température mesurée sur un exemple de système de contrôle thermique dans lequel on a injecté une puissance constante. Les MCP (dans la plaque de base) sont mis en contact thermique avec le composant (électronique) dont il faut contrôler la température. Lorsqu’ils atteignent leur température de transition solide-liquide, les MCP absorbent une bonne partie de l’énergie dissipée par le composant protégé.

[0030] La figure 3 représente un élément pour augmenter la surface de contact d’un échangeur/absorbeur de chaleur à MCP, à ailettes planes, selon l’état de la technique.

[0031] La figure 4 représente un élément pour augmenter la surface de contact d’un échangeur/absorbeur de chaleur à MCP, à ailettes sous forme de pointes, selon l’état de la technique.

[0032] La figure 5 représente un élément pour augmenter la surface de contact d’un échangeur/absorbeur de chaleur à MCP, présentant une structure en nid d’abeille, selon l’état de la technique.

[0033] La figure 6 représente un élément d’échangeur/absorbeur de chaleur à disposition générale de MCP, selon la présente invention.

[0034] La figure 7 représente un élément d’échangeur/absorbeur de chaleur à disposition de MCP en plusieurs nappes de canaux parallèles, selon une forme d’exécution de la présente invention.

[0035] La figure 8 représente un élément d’échangeur/absorbeur de chaleur à disposition de MCP en plusieurs nappes de canaux non parallèles, selon une autre forme d’exécution de la présente invention.

[0036] La figure 9 représente un élément d’un échangeur/absorbeur de chaleur à disposition de MCP avec réunion des logements de MCP par un canal commun, selon une autre forme d’exécution de la présente invention.

[0037] La figure 10 représente un élément d’un échangeur/absorbeur de chaleur à disposition de MCP en une configuration permettant d’absorber des pics de puissance aléatoires, selon encore une autre forme d’exécution de la présente invention.

[0038] La figure 11 représente schématiquement les diagrammes de puissance dissipée et de température en fonction du temps pour l’élément d’un échangeur/absorbeur de chaleur configuré comme à la figure 10.

Description de formes d'exécution préférées de l'invention

Disposition générale [0039] Le système selon la présente invention est caractérisé par : - une construction 1 basée sur un bloc 10 à conductivité thermique élevée (aluminium, cuivre, argent, béryllium et leurs alliages, composites à base de graphène, nanotubes de carbone, etc.) soit pressé contre la surface 2 avec laquelle la chaleur doit être échangée, soit brasée contre cette dernière, avec interposition d’une liaison thermique efficace entre les deux, par exemple sous forme de graisse de contact thermique, de graphite, de métal « mou » aux températures considérées, etc. ; - ladite construction 1 contenant des matériaux à changement de phase, tels que paraffines, sels hydratés, acides gras, métaux à bas point de fusion, etc., logés au moins dans plusieurs logements ou canaux 3 sensiblement parallèles, ayant un axe principal parallèle à la surface avec laquelle on souhaite échanger de la chaleur.

Une représentation schématique de cette construction est donnée à la figure 6.

[0040] Cette disposition est complètement différente de la disposition de l’état de la technique décrite sous A) ci-dessus. En effet, l’axe principal des logements des MCP subit une rotation de 90° par rapport aux solutions existantes, comme par exemple la configuration à nid d’abeille susmentionnée.

[0041] Selon une forme d’exécution, les logements 3 des MCP sont de section circulaire, comme représenté sur la figure 6. Mais ils pourraient être de section carrée ou hexagonale dans certains cas. L’étanchéité de ces logements est assurée en pratiquant un trou borgne 31, c’est-à-dire à fond non percé, ce trou étant ensuite fermé au niveau de son ouverture externe par un bouchon étanche, qui est par exemple collé, brasé ou soudé.

[0042] De plus, cette disposition présente également des avantages majeurs au point de vue contact thermique entre les logements des MCP et la face d’échange, vu qu’elle met en jeu une masse de matériau à haute conductivité.

[0043] Du point de vue pratique, l’usinage des logements est nettement plus rapide que dans les solutions de l’art antérieur, donc plus facile à réaliser à un coût abordable : il est plus facile de forer un logement que d’usiner un grand nombre de cellules de nid d’abeille par exemple. Dans les cas où des sections carrées ou hexagonales seraient préférées pour les logements des MCP, leur usinage pourrait avantageusement être pratiqué par électroérosion. De plus, le remplissage du boitier au niveau maximum est également plus aisé et interfère peu avec le collage, contrairement avec le couvercle utilisé pour les ailettes, les pointes et la mousse.

[0044] Selon une forme d’exécution de l’invention, les logements 3 des MCP forment une nappe parallèle à la face d’échange 2. En vue d’obtenir une disposition à plus grande capacité thermique, la construction précitée comprendra avantageusement plusieurs nappes superposées 32, toutes parallèles entre elles et à la face d’échange, comme représenté sur la figure 7. Selon une autre forme d’exécution, il est également possible d’utiliser plusieurs nappes 33, 34 dont les axes (de canaux) seraient tous parallèles à la surface d’échange mais ne seraient pas parallèles entre eux, comme représenté à la figure 8.

[0045] Il est en outre avantageux de mettre en communication tous les logements parallèles par un canal 35 perpendiculaire à leurs axes, ce qui permet d’égaliser la pression dans chacun des canaux, comme représenté sur la figure 9. Ce canal sera bien entendu étanche vis-à-vis de l’extérieur.

[0046] Il est bien évidemment possible de répartir selon le cas la même quantité de MCP soit dans un grand nombre de logements de petite section soit dans un nombre réduit de logements de plus grande section. L’optimisation du diamètre (ou d’une valeur caractéristique de la section si elle n’est pas circulaire) est réalisée en fonction d’une part de la diffusivité thermique D des MCP et d’autre part de la constante de temps principale de l’équipement thermique τ dont il faut contrôler la température. Le diamètre optimal est donné par la relation :

où τ est la constante de temps précité et K une constante.

[0047] La distance entre les logements d’une même nappe ou en d’autres termes, l’épaisseur de matériau conducteur séparant deux logements parallèles et voisins est quant à elle optimisée en fonction de la chaleur à communiquer aux nappes/parties supérieures, soit :

Distance entre axes = Diamètre logements + C + D * Fraction d'énergie à transmettre aux nappes supérieures C et D étant des constantes.

Dispositions particulières

Introduction des MCP dans les logements [0048] Toujours selon l’invention, les MCP peuvent être introduits dans les logements 3 de différentes manières (non représenté) : - en les y coulant à l’état liquide (c’est-à-dire à une température supérieure à la température de fusion des MCP) ; - introduction dans les logements sous forme de « bâtonnets » à l’état solide, de section inférieure mais presque égale à celle des logements ; - à l’intérieur de boîtiers à parois minces, de section extérieure inférieure mais presqu’égale à celle des logements.

Augmentation de la conduction thermique à l’intérieur des canaux [0049] La section circulaire des canaux est spécialement adaptée à l’introduction d’éléments à haute conductivité destinés à accélérer encore la réponse thermique du système. Ces éléments peuvent par exemple être des brosses métalliques cylindriques de diamètre légèrement supérieur à celui des logements (non représenté).

Contrôle en cas de pics de dissipation [0050] Beaucoup d’équipements dont il faut contrôler la température dissipent de la chaleur de manière assez constante. D’autres équipements toutefois sont caractérisés par des pics de dissipation très importants. Par exemple l’énergie dissipée au cours des pics peut se monter à 10-20 fois l’énergie dissipée en conditions normales. De plus ces pics peuvent survenir de manière aléatoire ; ils constituent dès lors un problème sérieux car l’énergie dissipée dans les pics risque d’endommager l’équipement si elle n’est pas rapidement absorbée. Une manière de contrôler ce phénomène est d’utiliser plusieurs nappes de MCP chacune caractérisée par une température de transition différente. Par exemple, la nappe la plus proche de la surface d’échange 36 est remplie de MCP possédant la température la plus élevée. Elle n’est mise en fusion que lorsque des pics de dissipation apparaissent. La (ou les) nappe(s) plus éloignée(s) 37 absorbe(nt) l’énergie liée au fonctionnement régulier, comme représenté sur la figure 10.

[0051] Cette disposition est illustrée par les diagrammes de principe représentés à la figure 11. On y définit les paramètres suivants : - To : température sur la face dissipative, - T1 : température de la première nappe de canaux MCP, - T2 : température de la seconde nappe de canaux MCP, - T1f : température de fusion de la première nappe de canaux MCP, - T2f : température de fusion de la seconde nappe de canaux MCP (T2f < Tu), - t1 : début de la dissipation à moyenne puissance, - t2 : début de la dissipation à forte puissance, - ta : début de fusion du second MCP et - tb début de fusion du premier MCP.

[0052] L’évolution se présente comme suit. Après le début de la dissipation à puissance moyenne t1, les températures T0, T1 et T2 augmentent à vitesse significative jusqu’au moment où T2 atteint sa température de fusion T2f ; dès ce moment les températures montent à des vitesses nettement plus faibles. La deuxième nappe de MCP se liquéfie à la température Tf tandis que la première nappe, la plus proche de la source chaleur, reste solide.

[0053] Après le début de la dissipation à forte puissance t2 (pic de puissance), les températures To, Ti et T2 augmentent à une vitesse importante jusqu’au moment où Ti atteint sa température de fusion Tif ; dès ce moment les températures montent à nouveau à des vitesses nettement plus faibles. La première nappe de MCP se liquéfie alors à la température Tif. Le fait que la nappe qui absorbe le pic de puissance se trouve le plus près de la source de chaleur permet une meilleure réactivité.

[0054] Selon une autre forme d’exécution, on pourrait avantageusement intégrer plusieurs composants MCP dans chaque canal avec des températures de fusion différentes. On pourrait par exemple fabriquer par moulage des ailettes à bas point de fusion puis introduire dans chaque canal une paraffine à plus basse température de fusion. Le métal à bas point de fusion permettrait ainsi d’augmenter le transfert de chaleur à la paraffine avant de fondre lui-même. On pourrait également disperser des particules MCP dans une autre matrice MCP, de nature différente. Cette solution sera utilisée avantageusement pour des applications « One Shot ». Il peut par ailleurs être avantageux d’introduire l’un ou l’autre composant dans une gaine ou autre structure qui empêche les deux composants de se mélanger et/ou de diffuser.

Contact thermique entre l’équipement thermique et le dispositif de contrôle thermique [0055] Les essais réalisés par les inventeurs ont mis en évidence l’importance d’avoir un bon contact thermique entre l’élément thermique qui dissipe de la chaleur et le dispositif de contrôle thermique destiné à absorber cette puissance. On a observé que si ce contact thermique est bon, cela fonctionne très bien tandis que si le contact est mauvais cela ne fonctionne que de manière très moyenne.

[0056] Donc il sera avantageux d’optimaliser le contact thermique entre l’élément thermique et le dispositif de contrôle par un collage ou une brasure.

[0057] La brasure est effectuée au moyen d’un alliage avec un point de fusion supérieur à la température maximale atteinte en cours d’opération. Elle est immédiate pour un boitier en cuivre ou en laiton. Dans les autres cas (Al, Ag, Be, etc.), elle est rendue possible par exemple en déposant une couche de cuivre sur la face du dispositif en contact avec l’élément thermique. Cette couche mince de cuivre peut être déposée par plasma, par cold spray, par électrodéposition ou par toute autre technique adéquate.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif de contrôle thermique destiné à confiner la température d’un équipement thermique, c’est-à-dire un élément échangeant de la chaleur avec le milieu extérieur, dans un intervalle de température prédéterminé, via une surface d’échange thermique, ledit dispositif comprenant un volume d’échange/d’absorption thermique (1) constitué d’un bloc solide (10) dont une surface (2) est apte à être mise en contact thermique avec une surface dudit équipement thermique, caractérisé en ce que ledit bloc solide (10) contient des canaux ou logements (3) incorporant des matériaux à changement de phase (MCP), lesdits canaux (3) ayant un axe principal orienté sensiblement le long de ladite surface (2).
2. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc solide (10) est réalisé dans un matériau bon conducteur de la chaleur, dans lequel sont agencés les canaux ou logements (3) contenant les MCP, lesdits canaux (3) étant disposés en une ou plusieurs nappes (32, 33, 34, 35, 36, 37) s’éloignant le cas échéant de ladite surface (2).
3. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite surface (2) est plane et en ce que l’axe longitudinal desdits canaux (3) est parallèle à ladite surface plane (2), les canaux d’une même nappe (32, 33, 34, 36, 37) étant de plus parallèles entre eux.
4. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les canaux (3) appartenant à différentes nappes (32) sont tous parallèles entre eux.
5. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les canaux (3) appartenant à différentes nappes (33, 34) ne sont pas tous parallèles entre eux.
6. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les canaux (3) appartenant à des nappes adjacentes (33, 34) sont perpendiculaires.
7. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits canaux (3) sont des trous borgnes usinés dans le bloc solide (10), obturés du côté ouvert une fois les MCP introduits à l’intérieur de ceux-ci.
8. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les canaux (3) ont une section circulaire, carrée, rectangulaire ou hexagonale.
9. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 8, caractérisé en ce que les canaux (3) sont des logements usinés par électroérosion.
10. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 8, caractérisé en ce que les canaux (3) de section circulaire contiennent des brosses métalliques cylindriques de diamètre légèrement supérieur à celui des logements.
11. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc solide (10) est réalisé en aluminium, cuivre, argent, béryllium ou un de leurs alliages, ou en composites à base de graphène ou de nanotubes de carbone.
12. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les MCP sont des paraffines, sels hydratés, acides gras. ou métaux à bas point de fusion.
13. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’introduction des MCP dans les logements est réalisée par coulée à l’état liquide, sous forme de bâtonnets solides ou sous forme de boîtiers à parois minces contenant les MCP, la section extérieure des boîtiers étant légèrement inférieure à celle des logements.
14. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les MCP sont dopés par introduction de particules métalliques ou céramiques, de poudre de graphite ou de graphite exfolié, ou de mousse réalisée en ces matières, pour augmenter la conduction thermique à l’intérieur des logements.
15. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que tous les canaux (3) parallèles d’une même nappe sont mis en communication par un canal (35) qui leur est perpendiculaire et qui est étanche vis-à-vis de l’extérieur.
16. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’un diamètre optimal des canaux (3), ou une grandeur caractéristique de la section des canaux, est choisie selon l’expression :

où D est la diffusivité thermique des MCP, τ est la constante de temps principale de l’équipement thermique dont il faut contrôler la température et K une constante.
17. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la distance entre les logements (3) voisins d’une même nappe est optimisée en fonction de la chaleur à communiquer aux nappes supérieures, selon l’expression : Distance entre axes = Diamètre logements + C + D * Fraction d'énergie à transmettre aux nappes supérieures où C et D sont des constantes.
18. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il contient des MCP ayant au moins deux températures distinctes de transition de phase.
19. Dispositif de contrôle thermique selon la revendication 18, caractérisé en ce qu’il contient au moins une première nappe (36) proximale de la surface d’échange contenant des MCP avec une première température de transition et au moins une seconde nappe (37) distale de la surface d’échange contenant des MCP avec une seconde température de transition, la première température de transition étant supérieure à la seconde température de transition.
20. Équipement thermique échangeant de la chaleur avec le milieu extérieur via une surface d’échange thermique, muni d’un dispositif de contrôle thermique selon l’une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que le contact thermique entre ladite surface du bloc solide et la surface d’échange thermique est assuré par une graisse de contact thermique, du graphite ou un métal liquide/visqueux aux températures considérées.
21. Équipement thermique échangeant de la chaleur avec le milieu extérieur via une surface d’échange thermique, muni d’un dispositif de contrôle thermique selon l’une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que le contact thermique entre ladite surface du bloc solide et la surface d’échange thermique est assuré par brasage ou par collage.
22. Équipement thermique selon la revendication 20 ou 21, comprenant des composants électroniques à haute ou très haute densité de puissance et/ou à plage de température de fonctionnement réduite.