EP1068481A1 - Dispositif d'echanges thermiques a fluide biphasique actif et procede de fabrication d'un tel dispositif - Google Patents

Dispositif d'echanges thermiques a fluide biphasique actif et procede de fabrication d'un tel dispositif

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EP1068481A1
EP1068481A1 EP99910447A EP99910447A EP1068481A1 EP 1068481 A1 EP1068481 A1 EP 1068481A1 EP 99910447 A EP99910447 A EP 99910447A EP 99910447 A EP99910447 A EP 99910447A EP 1068481 A1 EP1068481 A1 EP 1068481A1
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EP
European Patent Office
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capillary
fluid
channel
sheets
channels
Prior art date
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EP99910447A
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EP1068481B1 (fr
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Jean Duval
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Atmostat Etudes et Recherches
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Atmostat Etudes et Recherches
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0233—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes the conduits having a particular shape, e.g. non-circular cross-section, annular
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0241—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes the tubes being flexible

Definitions

  • the present invention relates to the field of heat exchange devices with active fluid, and more specifically, those which contain a two-phase fluid and which comprise capillary channels.
  • biphasic is meant the fact that the fluid contained in such devices is present, so that they are operational, in the form of the two liquid and gas phases. Also qualified below by “capillaries”, channels which have a very small section compared to their length, and especially which are capable of producing phenomena of pumping by capillarity on liquids.
  • Bi-phase fluid thermal devices comprising capillary channels capable of producing capillarity phenomena on the liquid phase, and gas transport channels in which the gas phase of the fluid is confined, the capillary channels communicating with the channels. gas transport.
  • a closed loop the device is used as a heat pipe and operates autonomously.
  • the device is exposed to a cold condensation zone, also called a cold source, and a hot vaporization zone, also called a hot source.
  • the fluid condenses in its liquid phase, in the cold zone and is vaporized in its gas phase in the hot zone.
  • the capillary forces then act on the liquid phase of the fluid to move it from the condensation zone to the vaporization zone.
  • the gas pressure being greater in the vaporization zone than in the. condensation, a gas flow is obtained in the opposite direction to the displacement of the liquid phase.
  • the capillary and pressure forces act alone as a motor for the circulation of the fluid
  • the device In open loop, the device is used as an evaporator and a 99/50607
  • the fluid must arrive in its liquid form in the device and leave it in its gaseous form, to be condensed in a different element of the circuit
  • the liquid which is denser than the gas
  • the liquid can be in the form of droplets dispersed in the gas phase
  • the capillary channels then make it possible to fix these droplets and to prevent them from returning to the downstream gas circuit of the device
  • devices of a first type consisting of cylindrical rods with circular section stacked perpendicular to their longitudinal direction in a hexagonal network Stacked in this way, these rods define cavities between them These cavities extend longitudinally parallel to the rods and have a roughly triangular cross section These cavities contain the biphasic fluid
  • the parts of the external surfaces of the rods, located in the vicinity of the vertices of the triangles, that is to say near the contact zones between two rods, constitute channels capable of exerting capillary forces on the liquid phase of the fluid
  • the central zone of the cavities forms a gas transport channel
  • it is essential that there is no interruption of the capillary channels along their length This requires a pre stacking cis and rigid cylindrical rods
  • These rods are therefore housed and wedged in grooves made in a rectilinear and rigid bar
  • a device of this type is relatively expensive to produce and has drawbacks for certain applications
  • One of these drawbacks is for example its rigidity which is hardly compatible with the work of the
  • a device of this other type consists of aluminum tubes, internally striated to form capillary channels open on a hollow central core, serving as a gas transport channel. Again, the cylindrical geometry of these tubes does not promote compactness and optimal performance.
  • capillary essentially relates to the geometry of the tube which has a very small cross section compared to its length, which allows the gas to remain in bubbles in the liquid and push it.
  • An object of the invention is to provide a thermal device with active biphasic fluid, flat, flexible, having a compactness and high performance, which includes in its thickness at least one channel of sufficiently large section so that a gas passes easily without a liquid being able to obstruct it, and at least one channel sufficiently small so that a liquid can be there propagate by capillarity.
  • Another object of the invention is also to provide a device having low risks of stopping operation by local drying of the capillary channels.
  • a thermal device with active biphasic fluid comprising at least one capillary channel and at least one gas transport channel, each capillary channel having a section adapted so that the liquid phase of the fluid can be pumped there by forces.
  • this device allowing a reversible passage of fluid, between at least one capillary channel and at least one gas transport channel, during the liquid transition / gas or gas / liquid, consecutive temperature variations undergone by at least one zone of the device, characterized in that it comprises at least one sheet comprising on one of its two main faces, at least two parallel grooves, communicating longitudinally with each other and at least one sheet capable of covering the grooves to form at least one capillary channel and at least one transport channel t gaseous.
  • a device according to the invention has a sheet structure which allows it to be flat.
  • this shape makes it possible to have large contact surfaces between the device and the structures which are equipped with the device. Thus the heat exchanges between the device and these structures are facilitated.
  • the capillary channel is made “flat", by forming a groove in a sheet, before being integrated into the mass of the device.
  • the dimension perpendicular to the main surface of the sheet, on which the groove which constitutes it is flush can be optimized.
  • This dimension which will be called “thickness of the channel "may be as weak as necessary.
  • the capillary pressure tends towards a maximum when the thickness of the capillary channel tends towards zero and only the “flat” embodiment makes it possible to obtain the few microns or tens of microns necessary for a great height of lifting of the liquid.
  • the thickness of the capillary channel is less than 100 ⁇ m for a high capillary pressure. But more preferably, this thickness of the capillary channel is approximately between 30 and 70 ⁇ m. Furthermore, the dimension parallel to the main surface of the sheet determines what will be called the "capillary channel width". However, the width of the capillary channel induces the pressure drop and therefore makes it possible to obtain the necessary flow of liquid. The “flat” arrangement makes it possible to increase this width as much as necessary and therefore allows a large flow and a high thermal power.
  • a capillary channel has a width of the order of 0.3 to 1 mm for a sufficient flow rate and a limited pressure drop.
  • the wetting heat pipes have a large section but the capillary pressure is very low, which does not allow inclined use of the heat pipe.
  • the section in which the thickness of the capillary is optimal has a very small width.
  • each gas transport channel is determined in thickness, by the number of stacked sheets and the thickness of each sheet, and in width by the width of the corresponding groove, engraved on the entire thickness of each sheet. .
  • This section is large enough to reduce the gas velocity and allow a flow with low pressure drop. This thus makes it possible to avoid limiting the performance of the micro-heat pipe by reaching the speed of sound by the gases in the gas transport channels.
  • the grooves are made directly on the sheets.
  • a rigid structure is therefore not necessary, unlike devices with stacking cylindrical rods of the prior art.
  • the thickness and the nature of the material of the sheets can therefore be chosen to give flexibility to the device.
  • the fact of being able to choose thin sheets also makes it possible to gain in compactness and to optimize the ratio capacity of transport of heat on size of the device, to obtain high performances.
  • the device according to the invention has a much smaller thickness than traditional heat pipes, typically 3 to 5 times thinner, which induces a significant lightening potential.
  • the device according to the invention can also be easily deformed, which allows bending with a very small radius of curvature, close to folding. This possibility makes it possible to generate non-planar contact surfaces, in particular cylindrical, to generate changes of planes by change of altitude or angular direction, or even to generate geometries in "bellows" making it possible to make flexible connections with wells thermal.
  • the transfer of gas between the capillary channels and the gas transport channels must be optimized, inter alia, to avoid drying.
  • this exchange is permanent insofar as the two types of channels are integrated one into the other.
  • the search for capillary pumping performance has resulted in isolation of the capillary channel, which means that the gas circulates in the capillary, promoting drying.
  • the device according to the invention makes it possible to optimize both the transfer between capillary channels and gas transport channels and the performance in capillary pumping.
  • a device according to the invention can comprise several capillary channels communicating longitudinally with a gas transport channel. In this way, if a local heating dries up one of the capillary channels, another of these channels can continue to ensure the circulation of the liquid phase. In addition, communication between channels 7
  • the device according to the invention comprises a number of sheets stacked on each other, equal to or greater than two, each having at least one groove capable of forming a gas transport channel communicating over its entire length with a homologous groove d another sheet
  • the device according to the invention comprises at least one circuit of channels operating in closed loop and ensuring, without motor, the circulation of the fluid contained in the circuit, between an evaporation zone and a condensation zone , the capillary forces exerted on the liquid phase of the fluid contained in the capillary channels playing a pumping role on the fluid
  • the di spositif according to the invention constitutes a heat pipe
  • a heat pipe can be composed of several subsets of sheets, each subset comprising a circuit of channels, isolated from the circuit of each other subset, each circuit being charged
  • the device according to the invention comprises at least one circuit of channels, open on a circuit comprising a pump and a condenser, the device according to the invention then playing the role of an evaporator and the forces capillaries exerted on the liquid phase of the fluid making it possible to fix it in the capillary channels, and to distribute it by capillary pumping, in these channels
  • the heat transfer must be optimized to avoid temperature gradients in hot and cold transfer zones.
  • this quality of thermal transfer is optimized thanks to a particular geometry of the ends A “staircase” arrangement of the liquid-gas limits makes it possible to spread your menisci from these surfaces, and thereby to favor 8
  • the invention is a method for producing devices according to the invention
  • the main operations of construction of the device according to the invention are the cutting and engraving of the sheets, the welding "flat, with the press", and the trimming This allows the simultaneous production of a large number of parts , which is favorable to mass production This is not possible for traditional heat pipes which must be machined one by one
  • the work, by cutting and engraving flat, of the sheets allows a large freedom of drawing at reduced cost, for the device according to the invention, and facilitates the networking of the conduits constituted by a gas transport channel and the capillary channels which are associated with it This particularity is all the more remarkable as the production of the etching and cutting takes place done simultaneously everywhere on a whole sheet
  • the corresponding cost is therefore not proportional to the length of the necessary conduits
  • FIG. 2 is an elevational view from above of a basic sheet of an embodiment of a device according to the present invention
  • - Figure 3 is an elevational view from below of a sheet intermediate of the device according to the invention corresponding to the same embodiment as that of FIG. 2,
  • FIG. 4 is a top elevation view of an intermediate sheet of the device according to the invention corresponding to the same embodiment as that of FIG. 2n,
  • FIG. 5 is a top elevational view of an upper sheet of the device according to the invention corresponding to the same embodiment as that of Figure 2;
  • FIG. 6 shows schematically in section, along line A- A, a stack of sheets shown in Figures 2, 3, 4 and 5;
  • FIG. 6a represents such a stack with a very expanded scale in the direction perpendicular to the plane of the sheets;
  • Figure 6b shows in more detail the cross section of a gas transport channel and adjacent associated capillary channels;
  • FIG. 7 schematically shows a perspective view of an example of a device according to the invention, based on a mounting tool
  • FIG. 8 shows schematically, top view, an application of a device according to the invention, to the cooling of components on electronic circuits;
  • FIG. 9 shows schematically, in longitudinal section, a device according to the invention, sandwiched between two printed circuits;
  • FIG. 10 schematically shows an example of use of a device according to the invention, for cooling a detector
  • - Figure 1 1 is a schematic transverse section of a capillary channel in a variant of the device shown in Figure 6;
  • - Figure 12 is a schematic cross section of a gas transport channel surrounded by its associated capillary channels, in a variant of the device shown in Figure 6;
  • FIG. 13 is a top view, in transparency, along a plane parallel to the main plane of a variant of the device corresponding to the embodiment shown in Figures 2 to 6, of a condenser part in this variant;
  • - Figure 14 is a schematic cross section along the line B- B of Figure 13, of a branch, located in the. condenser portion shown in Figure 13; and - Figure 15 is a top view, in transparency, along a plane parallel to the main plane of a variant of the device corresponding to the embodiment shown in Figures 2 to 6, of a part forming 10
  • a device according to the invention can be produced according to the method illustrated in FIG. 1.
  • This method comprises a step of etching a grooves in blank sheets 1, a step of localized deposition b of an assembly material, a step of stacking c sheets previously prepared according to steps a and b, and a step mounting d to weld together the sheets stacked according to step c and form for example a heat pipe 50.
  • a blank sheet 1 consists of a plate preferably with a thickness between 0.1 and 1 mm.
  • the material of these sheets is for example a metal. It can be copper, nickel, iron, aluminum or even one of their alloys, such as aluminum-beryllium or stainless steel. The nature of the metal of the sheets depends on the active fluid used.
  • the etching step a is preferably a chemical etching with a savings mask.
  • the mask defines the areas of the grooves to be engraved. These grooves are differently etched on the base sheets 2, the intermediate sheets 3 and the upper sheets 4.
  • This cutting step a can be carried out in several successive operations making it possible to selectively engrave, on the one hand, the areas etched all over the thickness 5 of a sheet, and on the other hand zones engraved on a smaller thickness.
  • the zones engraved over the entire thickness 5 of the sheets are intended to provide gas transport channels 6.
  • the zones engraved on a smaller thickness form a step between a first level 7, located on the upper surface of each sheet , and a second level 8. This step is intended for the formation of capillary channels 9.
  • the chemical attack baths used for etching adapted to the nature of the material 11
  • the zones engraved between the first 7 and second 8 levels are produced parallel to the zones engraved over the entire thickness 5 and over the entire length of the latter.
  • These engraved zones up to the second level 5 are located on at least one edge of the engraved zones over the entire thickness 5, so as to pass, transversely with respect to the longitudinal direction of the channels 6, 9, from the first level 7, to the second level 8, then in the zones engraved over the entire thickness 5, without going back to the first level 7.
  • holes 10 and scaffolds 11 are also engraved in the sheets, to pass pins 12 and sockets 13 or respectively plugs 14 (these elements are not shown in FIG. 1). Holes 10 and notches 11 are shown in FIGS. 2 to 5.
  • the step of depositing b of an assembly material is carried out according to strips suitable for obtaining a tight assembly of the sheets 2, 3, 4 therebetween and a longitudinal separation of the gas channels 6, while maintaining communication of the gas channels 6 with one another, at the ends thereof.
  • this assembly material is also preferably a metal.
  • this metal is deposited by electroplating, with a geometry determined by a savings mask. The metal thus deposited is suitable for the type of mounting envisaged. This metal deposition 15 can be different depending on whether the subsequent mounting step is carried out, for example, by thermo-compression or by brazing. This metal is also chosen according to the nature of the material of the sheets 2, 3, 4.
  • the deposition metal must have a melting temperature lower than that of the metal constituting the sheets. 2, 3, 4.
  • copper sheets 2, 3, 4 gold and silver can be used for diffusion brazing.
  • the nature of the metal deposited also depends on the active fluid used. For example, when 12
  • the deposited metal can be copper or silver.
  • the thickness of the deposited metal is typically between 5 and 10 ⁇ m.
  • the metal deposition 15 is carried out, on the upper face of the sheets, at the edge of the assembly formed by an area etched over the entire thickness 5 and at least one capillary channel 9, on either side of this assembly ( Figures 2 and 4).
  • the metal deposit 15 is also made on the periphery of the sheets ( Figures 2 and 4).
  • the metal is deposited in small quantities so that it does not come to fill, during assembly, the zones intended to form the capillary channels 9.
  • the thickness of the metal deposit 15 is 5 to 10 ⁇ m.
  • the stacking step c of the sheets, previously prepared according to steps a and b, is for example carried out by successively vertically placing three intermediate sheets 3 on a base sheet 2 and an upper sheet 4 on the intermediate sheet 3 from above.
  • the sheets 2, 3, 4 are stacked, according to step c, presenting the engraved areas up to the second level 8, facing upwards.
  • the zones engraved over the entire thickness 5 are placed opposite one another and define the gas transport channels 6.
  • the zones engraved up to the second level 8 are covered by the sheet which is immediately above it , they constitute capillary channels 9.
  • the stack of sheets 2, 3, 4 defines a heat pipe 50. As shown in FIG.
  • this heat pipe 50 can also be placed on a support 16 ( tools) and cover the whole with a sheet 17 making it possible to isolate the heat pipe 50 from the weights required for assembly.
  • the pins 12 are optionally arranged in the holes 10, so as to keep the sheets strictly aligned during the subsequent step of mounting d
  • the mounting step d is preferably carried out by brazing.
  • the brazing metal forms a liquid phase which wets the areas on which it is deposited and the areas of the adjacent sheet, located opposite them. It thus ensures the connection of the pressed sheets one on the other to ensure contact.
  • This soldering can be 13
  • Caps 13 and plugs 14 are arranged in the orifices produced by superposition of the notches 11.
  • the biphasic fluid is introduced into the evaporator, using the pipes 13 before these are closed.
  • the fluid used depends on the intended operating temperature range. It can be H 2 0, NH 3 , acetone, "Freon”, methane, ethane, etc.
  • the mounting step c is carried out by brazing. It can also be carried out by thermo-compression. In this case, it is preferably carried out under vacuum to avoid passivation of the surface, by fixing non-metallic compounds (O 2 , N 2 , H 2 O, volatile fats, etc.).
  • the thermo-compression temperature is located approximately 50 ° C below the melting temperature of the metal deposited in step b.
  • the pressure exerted on the areas to be welded is approximately 0.1 N / mm 2 .
  • It is a heat pipe 50. It comprises a basic sheet 2, three intermediate sheets 3 and an upper sheet 4.
  • the base sheet 2 has an elongated shape. It has an overall size of 215 mm long, 69 mm wide and 0.25 mm thick. It includes engraved zones from the first level 7 to the second level 8. The distance between the first 1 and second 8 levels is 70 ⁇ m. The width of these areas is approximately 1 mm. A metal deposit 15 is made, on the first level 7, on the periphery of the sheet and along equidistant lines, 14
  • the intermediate sheets 3 have the same shape as the basic sheet 2. They also have an overall size of 215 mm long, 69 mm wide, but a thickness of 200 microns.
  • an intermediate sheet comprises zones engraved over its entire thickness 5. These zones are located at its longitudinal ends to form holes 10, at the ends of its longitudinal edges to form notches 11 and at the level of equidistant parallel and generally longitudinal lines. The latter are seven in number and are intended to form gas transport channels 6. The three most central lines are longer than the others and are extended deeper in the area between the two notches 11 arranged on the two edges opposite longitudinal of the intermediate sheet 3. All these lines lead, at each of their ends, to a zone which is transverse to them and engraved from the first level 7 to the second level 8. Thus, these zones engraved from the first level 7 to the second level 8 define capillary zones, which when bathed in the liquid phase of the fluid condensed at this level, redistribute the liquid in all the capillary channels 9.
  • an intermediate sheet 3 also includes engraved zones from the first level 7 to the second level 8.
  • the distance between the first 7 and second 8 levels is 70 ⁇ m.
  • zones are engraved up to the second level 8, while leaving on the periphery and between each channel 6, non-engraved zones, at the first level 7.
  • the areas engraved up to the second level 8 communicate with each other and with the notches 11.
  • the metal deposition 15 is carried out at the periphery of the sheet and according to 15
  • an upper sheet 4 has an elongated shape, identical to that of the basic sheet 2 and of the intermediate sheets 3. Its overall length and width are identical to those of the basic sheets 2 and of the intermediate 3. Its thickness is 200 ⁇ m. It comprises two holes 10 at each of its longitudinal ends.
  • a base sheet 2, three intermediate sheets 3 and an upper sheet 4 are assembled, for example according to the method described above, to form a heat pipe 50 having a thickness of the order of a millimeter (Fig. 6a).
  • This heat pipe 50 comprises seven gas transport channels 6. Eight capillary channels 9 open onto each gas transport channel 6 (FIG. 6b), or 56 capillary channels 9 in all.
  • Each capillary channel 9 has a section of approximately 70 ⁇ m by 1 mm.
  • the ribs of the stacked structure schematically shown in Figure 6, are not to scale.
  • FIG. 6a in particular, has a very dilated scale in the direction perpendicular to the plane of the sheets, to reveal the capillary channels 9.
  • this heat pipe 50 is provided with pipes
  • the support 16 consists of a plate 220 mm long, 76 mm wide and 10 mm thick.
  • the sheet 17 has an overall length and width of 219 and 73 mm, respectively. Its thickness is 1 mm.
  • the heat pipe 50 is held on the support 16 with the sheet 17 by means of pins 12. It is loaded with weights isolated from the sheet 17 by shims in 16
  • alumina which make it possible to avoid welding the weights on the sheet 17.
  • a device can, for example, include more intermediate sheets 3.
  • the number of sheets stacked to form a heat pipe 50 can be 10 or 20.
  • the capillary channels 9 intended for transporting the phase liquid of the fluid by capillarity and the gas transport channels 6 can be produced in different ways.
  • a heat pipe 50 has been described above with a capillary channel 9 located on either side of each zone etched over the entire thickness 5 of the sheets.
  • a capillary channel 9 may only be provided on one side of each zone etched over the entire thickness 5. It is also possible to superpose several heat pipes 50, one on top of the other.
  • the devices described above include metal sheets, but one will not depart from the spirit of the invention if the sheets are made of plastic, composite material, etc.
  • the assembly material is then chosen accordingly. It can be a polymer adhesive, for example. It can even be envisaged to make welds between the sheets, by fusion, without assembly material.
  • the capillary channels 9 of which are formed by chemical etching of grooves in a sheet. But it can also be envisaged to produce these grooves by depositing an extra thickness material on the sheets.
  • Devices according to the invention can find numerous applications in space thermal, avionics, electronics, data processing, etc.
  • heat pipes 50 arranged on electronic circuits 20 make it possible to cool hot zones 21 on which are installed components 22, heat generators, by transporting the heat to return zones 23, even s '' orifices or other components must be bypassed 22.
  • a printed circuit 20 made of epoxy resin can be glued, flat on each main face of a heat pipe 50, by sandwiching the latter.
  • the gas 6 and capillary 9 transport channels of the heat pipe 50 directly transfer the heat, from the areas of the printed circuit 20 where components 22 are to be cooled, to a heat exchanger rack 40 or a radiator.
  • a thermal clamp 41 conducts the heat between the heat pipe 50 and the rack 40 or the radiator.
  • the heat pipe 50 therefore plays the role here of support for the printed circuit 20 in addition to its function of thermal conductor.
  • a heat pipe 50 can be configured as a bellows, for example to cool a mobile detector 30. It suffices to place this bellows so as to have folds of this bellows perpendicular to the plane in which they take place. both the movement generated by a vertical displacement device 31 and the movement generated by a horizontal displacement device 32, the heat pipe 50 connecting the detector 30 to a heat return element 33.
  • the importance of the first and third components are a consequence of the low thermal conductivity of the fluid and of the concentration of the flow in the vicinity of the limit between capillary channels 9 and gas transport channels 6.
  • the second component is the only one fundamentally linked to the process physical generator of the operation of the device according to the invention, in its heat pipe function.
  • a capillary channel 9 has an overall U shape with two parallel side walls 25 corresponding to the branches of the U and a bottom wall 26.
  • the bottom wall 26 is perpendicular to the side walls 25 between which it s extends.
  • each side wall 25 has a longitudinal edge linked to the bottom wall 26 and a free longitudinal edge 27 or 28 parallel to the previous edge.
  • e is the thickness of fluid ensuring thermal conduction (the thickness e is equal to half the width of the capillary channel 9 in it and decreases as one moves away from the bottom wall 26, from one free edge to the other).
  • the increase in the areas of evaporation S and of condensation makes it possible to reduce the first and third components mentioned of the temperature differential between the hot source and the cold source, thanks to a reduction in the concentration of the flux in the vicinity of the limit between the capillary channel 9 and the gas transport channel 6.
  • the different capillary channels 9 can all have 20
  • the offset between the free longitudinal edges 27, 28 can be variable or constant over the entire length of the capillary channel 9.
  • a device according to the present invention consisting of several intermediate sheets 3, it is advantageous to minimize the heat conduction paths in the mass of the base sheets 2, intermediate 3 and upper 4, between the face of the base sheet 2 or that of the upper sheet 4 and the side walls 25 and bottom 26 of each capillary channel 9.
  • an arrangement and a stack of sheets 2, 3, 4 so as to form a gas transport channel 6 whose transverse section is generally triangular, with free longitudinal edges 27, 28 in steps, constitutes a configuration which makes it possible to minimize the heat conduction paths mentioned above.
  • the heat collection and transfer systems which serve as heat sinks generally only allow the heat to be removed in the form of a very low heat flux, at the level of the exchange surface between the device and these collection and heat transfer systems. So to increase the heat power exchanged, it is necessary to increase this exchange surface.
  • All of the ramifications 52 opening into a conduit 51 must have a total section of capillary channels 9 sufficient to that all of the condensed fluid can return by capillarity, from the cold source to the hot source, in the various capillary channels 9 of the conduits 51 located between these two sources.
  • the total section of these different capillary channels 9 of the different branches 52 opening into a conduit 51 is equal to that of all of the capillary channels 9 of this conduit 51.
  • the set of ramifications 52 constitutes a condenser.
  • the capillary channels 9 of each branch are advantageously superposed on each other so that the longitudinal free edges 26, 27 are offset from one another, as described above, in order to '' increase the condensation surface.
  • an arrangement and a stacking of the sheets 2, 3, 4 so as to form a triangular gas transport channel 6, at the level of the branches 52 constitutes an advantageous configuration which makes it possible to minimize the conduction paths mentioned above. As indicated by the arrows, in this figure, the heat flux is very distributed.
  • the device according to the invention to function properly, it is necessary to fill it with heat transfer fluid with precision. Indeed, - if the filling was too low, part of the capillary channels
  • the invention forming the condenser, which also made it inoperative.
  • the volume of the capillary part is of the same order of magnitude as that corresponding to the gas transport channels 6.
  • the filling is done with a fluid "under vacuum", that is to say under the only saturated vapor pressure. This favors the appearance of vapor bubbles almost everywhere in the filling circuit. Handling the liquid phase of the heat transfer fluid, in small quantities, is therefore very delicate. Therefore, the filling accuracy is no better than plus or minus ten percent, relative to the target amount of liquid fluid. Which is still not enough to avoid the problems mentioned above.
  • the Applicant proposes to arrange at least one reservoir 54 having a volume comparable to that of a gas transport channel 6 and onto which open out capillary channels 9, which put it in communication with the rest of the device according to the invention.
  • the volume of the whole of the reservoir (s) 54 must preferably be approximately equal to twenty percent of the quantity of liquid fluid, intended for filling the device according to the invention, that is to say also approximately twenty for cent of the capillary volume of the device according to the invention.
  • the reservoir 54 constitutes a reserve but also makes it possible to accommodate the excess fluid.
  • Each reservoir 54 must be located in the cold part of the device according to the invention. But it should not be located at the coldest point, because if it did, it would help to reduce the capillary pressure bringing the liquefied fluid from the part of the device according to the invention forming the condenser to that forming the evaporator.
  • each reservoir 54 is kept cold by the contact of the device according to the invention with the external cold source. Not being heated by the circulation of gas, it is cooler than the ramifications 52 of the condenser. However, being in 23
  • Figure 15 illustrates such an arrangement.
  • a set of two reservoirs 54 is located between two sets of two ramifications 52.
  • Each reservoir 54 is surrounded by a zone of capillary channels 9, opening onto the manifold 53 communicating with the four ramifications 52.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (50) d'échanges thermiques à fluide biphasique actif, comprenant au moins un canal de pompage capillaire (9) et au moins un canal de transport gazeux (6), ce dispositif autorisant un passage réversible de fluide, entre au moins un canal capillaire (9) et au moins un canal de transport gazeux (6), au cours de la transition liquide/gaz ou gaz/liquide, consécutive des variations de température subies par au moins une zone du dispositif (50). Il comprend au moins un feuillet (2, 3, 4) comportant sur l'une de ses deux faces principales, au moins deux rainures parallèles, communiquant longitudinalement l'une avec l'autre et au moins un feuillet (3, 4) apte à recouvrir les rainures pour former au moins un canal capillaire (9) et au moins un canal de transport gazeux (6).

Description

« Dispositif d'échanges thermiques à fluide biphasique actif et procédé de fabrication d'un tel dispositif »
La présente invention concerne le domaine des dispositifs d'échanges thermiques à fluide actif, et plus précisément, de ceux qui contiennent un fluide biphasique et qui comportent des canaux capillaires.
On entend par « biphasique » le fait que le fluide contenu dans de tels dispositifs est présent, pour que ceux-ci soient opérationnels, sous la forme des deux phases liquide et gaz. On qualifie aussi ci-dessous par « capillaires », des canaux qui ont une très petite section par rapport à leur longueur, et surtout qui sont aptes à produire des phénomènes de pompage par capillarité sur des liquides.
On connaît déjà des dispositifs thermiques à fluide biphasique, comportant des canaux capillaires aptes à produire des phénomènes de capillarité sur la phase liquide, et des canaux de transport gazeux dans lesquels se trouve confinée la phase gazeuse du fluide, les canaux capillaires communiquant avec les canaux de transport gazeux.
Ces dispositifs sont utilisés soit en boucle fermée, soit en boucle ouverte. En boucle fermée, le dispositif est utilisé comme caloduc et fonctionne de manière autonome. Dans cette application, le dispositif est exposé à une zone froide de condensation, aussi appelée source froide, et une zone chaude de vaporisation, aussi appelée source chaude. Le fluide se condense dans sa phase liquide, dans la zone froide et est vaporisé dans sa phase gazeuse dans la zone chaude. Les forces de capillarité agissent alors sur la phase liquide du fluide pour la déplacer de la zone de condensation vers la zone de vaporisation. La pression gazeuse étant plus grande dans la zone de vaporisation que dans la zone de. condensation, on obtient un flux gazeux dans le sens opposé au déplacement de la phase liquide. Les forces de capillarité et de pression, agissent seules comme moteur de la circulation du fluide
En boucle ouverte, le dispositif est utilisé comme évaporateur et une 99/50607
pompe ainsi qu'un condenseur sont intégrés dans le circuit Pour que ce dispositif soit fonctionnel, le fluide doit arriver sous sa forme liquide dans le dispositif et en repartir sous sa forme gazeuse, pour être condensé dans un élément différent du circuit En présence de forces de pesanteur, il suffit d'orienter convenablement le dispositif pour conserver le liquide, qui est plus dense que le gaz, dans la zone d'arrivée du liquide dans le dispositif, sans que celui-ci ne puisse repartir dans le circuit de gaz en aval du dispositif Mais en absence de forces de pesanteur, le liquide peut se mettre sous forme de gouttelettes dispersées dans la phase gazeuse Les canaux capillaires permettent alors de fixer ces gouttelettes et d'éviter qu'elles ne repartent dans le circuit de gaz en aval du dispositif
Pour ces applications, on utilise déjà des dispositifs d'un premier type, constitués de tiges cylindriques à section circulaire empilées perpendiculairement à leur direction longitudinale selon un réseau hexagonal Empilées de cette manière, ces tiges définissent entre elles des cavités Ces cavités s'étendent longitudinalement parallèlement aux tiges et présentent une section transverse grossièrement triangulaire Ces cavités contiennent le fluide biphasique Les parties des surfaces externes des tiges, situées dans le voisinage des sommets des triangles, c'est à dire à proximité des zones de contact entre deux tiges, constituent des canaux aptes à exercer des forces de capillarité sur la phase liquide du fluide La zone centrale des cavités forme un canal de transport gazeux Pour que ce type de dispositif puisse fonctionner correctement, il est indispensable qu'il n'y ait pas d'interruption des canaux capillaires sur leur longueur Ceci nécessite un empilement précis et rigide des tiges cylindriques Ces tiges sont donc logées et calées dans des gorges réalisées dans une barrette rectiligne et rigide Un dispositif de ce type est relativement onéreux à réaliser et présente des inconvénients pour certaines applications Un de ces inconvénients est par exemple sa rigidité qui est difficilement compatible avec le travail des pièces sur lesquelles il est fixé, lorsque celles-ci sont soumises à des contraintes D'autre part, les performances d'un tel dispositif utilisé comme caloduc dépendent de sa capacité à 99/50607
transporter des calories par l'intermédiaire du fluide. Or le déplacement du fluide dans un caloduc est assuré par les forces de capillarité exercées sur la phase liquide du fluide, contenue dans les canaux capillaires. Mais dans les dispositifs de ce type, un volume important est occupé par les tiges cylindriques elles mêmes. En conséquence, le nombre de canaux capillaires pour un volume donné, est relativement réduit, ce qui limite les performances de tels dispositifs. Cette faible compacité ne permet pas non plus une intégration optimale avec les circuits électroniques qui en sont équipés. Le document FR 2 735 565, par exemple, présente un autre type de dispositifs. Un dispositif de cet autre type est constitué de tubes en aluminium, intérieurement striés pour former des canaux capillaires ouverts sur une âme centrale creuse, servant de canal de transport gazeux. Là encore, la géométrie cylindrique de ces tubes ne favorise pas une compacité et des performances, optimales.
Il a aussi été proposé, par exemple dans le document US 5 697 428, un dispositif dans lequel un sillon continu est gravé dans une première plaque métallique. Ce sillon présente des portions rectiligπes parallèles les unes aux autres, reliées par des portions courbes, le tout ayant une forme de serpentin. Une seconde plaque métallique est disposée sur la première plaque de manière à fermer le sillon et former un tube. Dans une telle structure, les zones où le fluide est dans sa phase liquide et celles où le fluide est dans sa phase gazeuse, se succèdent le long du trajet du fluide dans le tube. La dimension interne du tube est la même dans toutes les zones où se déplace le fluide. Ce dispositif ne permet donc pas d'optimiser indépendamment la circulation de chaque phase du fluide. Le pompage par capillarité, en particulier, n'est pas réalisé et le qualificatif « capillaire » tient essentiellement ici à la géométrie du tube qui a une section transverse très petite par rapport à sa longueur, ce qui permet au gaz de rester en bulles dans le liquide et de le pousser.
Un but de l'invention est de fournir un dispositif thermique à fluide biphasique actif, plat, souple, présentant une compacité et des performances élevées, qui inclut dans son épaisseur au moins un canal de section suffisamment grande pour qu'un gaz passe facilement sans qu'un liquide ne puisse l'obstruer, et au moins un canal suffisamment petit pour qu'un liquide puisse s'y propager par capillarité. Un autre but de l'invention est aussi de fournir un dispositif présentant de faibles risques d'arrêt de fonctionnement par assèchement local des canaux capillaires.
Ces buts sont atteints grâce à un dispositif thermique à fluide biphasique actif, comprenant au moins un canal capillaire et au moins un canal de transport gazeux, chaque canal capillaire ayant une section adaptée pour que la phase liquide du fluide puisse y être pompée par des forces capillaires, chaque canal de transport gazeux ayant une section supérieure à celle d'un canal capillaire, ce dispositif autorisant un passage réversible de fluide, entre au moins un canal capillaire et au moins un canal de transport gazeux, au cours de la transition liquide/gaz ou gaz/liquide, consécutive des vaπations de température subies par au moins une zone du dispositif, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un feuillet comportant sur l'une de ses deux faces principales, au moins deux rainures parallèles, communiquant longitudinalement l'une avec l'autre et au moins un feuillet apte à recouvrir les rainures pour former au moins un canal capillaire et au moins un canal de transport gazeux.
Ainsi, un dispositif conforme à l'invention, a une structure en feuillets qui lui permet d'être plat. D'une part, cette forme permet d'avoir de grandes surfaces de contact entre le dispositif et les structures qui sont équipées du dispositif. Ainsi les échanges thermiques entre le dispositif et ces structures s'en trouvent facilités.
D'autre part, cette structure permet une optimisation rationnelle du pompage capillaire et de l'écoulement gazeux.
En effet, dans ce dispositif, le canal capillaire est réalisé « à plat », en formant une rainure dans un feuillet, avant de se trouver intégré dans la masse du dispositif. De ce fait, la dimension perpendiculaire à la surface principale du feuillet, sur laquelle affleure la rainure qui le constitue, peut être optimisée. Cette dimension, que l'on appellera « épaisseur du canal capillaire » peut être aussi faible que nécessaire. Or, la pression capillaire tend vers un maximum quant l'épaisseur du canal capillaire tend vers zéro et seule la réalisation « à plat » permet d'obtenir les quelques microns ou dizaines de microns nécessaires à une grande hauteur de relevage du liquide.
Avantageusement, l'épaisseur du canal capillaire est inférieure à 100 μm pour une pression capillaire élevée. Mais plus préférentiellement, cette épaisseur du canal capillaire est comprise approximativement entre 30 et 70 μm. Par ailleurs, la dimension parallèle à la surface principale du feuillet détermine ce que l'on appellera la « largeur de canal capillaire ». Or, la largeur du canal capillaire induit la perte de charge et permet donc d'obtenir le flux de liquide nécessaire. La disposition « à plat » permet d'augmenter cette largeur autant que nécessaire et autorise donc un flux important et une puissance thermique importante.
Préférentiellement, un canal capillaire a une largeur de l'ordre de 0.3 à 1 mm pour un débit suffisant et une perte de charge limitée. Parmi les caloducs de l'art antérieur, les caloducs à mouillage ont une grande section mais la pression capillaire est très faible, ce qui n'autorise pas une utilisation inclinée du caloduc. Pour les caloducs à mèche ou les microcaloducs anciens, la section dans laquelle l'épaisseur du capillaire est optimale a une très faible largeur.
En outre, la section de chaque canal de transport gazeux est déterminée en épaisseur, par le nombre de feuillets empilés et l'épaisseur de chaque feuillet, et en largeur par la largeur de la rainure correspondante, gravée sur toute l'épaisseur de chaque feuillet. Cette section est suffisamment importante pour réduire la vitesse des gaz et permettre un écoulement à faible perte de charge. Ceci permet ainsi d'éviter la limitation des peformances du micro-caloduc par l'atteinte de la vitesse du son par les gaz dans les canaux de transport gazeux.
De plus, dans le dispositif selon l'invention, les rainures sont directement réalisées sur les feuillets. Une structure rigide n'est donc pas nécessaire, contrairement aux dispositifs à empilement de tiges cylindriques, de l'art antérieur. L'épaisseur et la nature du matériau des feuillets peuvent donc être choisies pour conférer de la souplesse au dispositif. Le fait de pouvoir choisir des feuillets minces permet aussi de gagner en compacité et d'optimiser le rapport capacité de transport de la chaleur sur encombrement du dispositif, pour obtenir des performances élevées. A puissance donnée, le dispositif selon l'invention a une épaisseur beaucoup plus faible que les caloducs traditionnels, typiquement 3 à 5 fois plus faible, ce qui induit un potentiel d'allégement important. En raison de sa très faible épaisseur, le dispositif selon l'invention peut aussi être déformé facilement, ce qui permet des cambrages à très faible rayon de courbure, proche du pliage. Cette possibilité permet de générer des surfaces de contact non planes, en particulier cylindriques, de générer des changements de plans par changement d'altitude ou de direction angulaire, voire de générer des géométries en « soufflet » permettant de faire des connexions souples avec des puits thermiques.
D'autre part, le transfert de gaz entre les canaux capillaires et les canaux de transport gazeux doit être optimisé, entre autres, pour éviter l'assèchement. Dans les caloducs de l'art antérieur, à mouillage de surface ou à mèches, cet échange est permanent dans la mesure où les deux types de canaux sont intégrés l'un dans l'autre. Mais, dans les essais de perfectionnement des caloducs de l'art antérieur, la recherche de performances en pompage capillaire s'est traduite par un isolement du canal capillaire, ce qui impose que le gaz circule dans le capillaire en favorisant l'assèchement. Le dispositif selon l'invention permet d'optimiser à la fois le transfert entre canaux capillaires et canaux de transport gazeux et les performances en pompage capillaire.
Aussi, un dispositif selon l'invention peut comporter plusieurs canaux capillaires communiquant longitudinalement avec un canal de transport gazeux. De cette manière, si un échauffement local assèche l'un des canaux capillaires, un autre de ces canaux peut continuer d'assurer la circulation de la phase liquide. De plus, la communication entre canaux 7
capillaires et canaux gazeux, sur toute leur longueur, permet de ne pas limiter les zones d'échange entre ces deux types de canaux et d'avoir un fonctionnement correct en boucle fermée, quelles que soient les dimensions respectives des zones de vaporisation et de condensation Avantageusement, le dispositif selon l'invention comprend un nombre de feuillets empilés les uns sur les autres, égal ou supérieur à deux, chacun ayant au moins une rainure apte à former un canal de transport gazeux communiquant sur toute sa longueur avec une rainure homologue d'un autre feuillet Avantageusement aussi, le dispositif selon l'invention comprend au moins un circuit de canaux fonctionnant en boucle fermée et assurant, sans moteur, la circulation du fluide contenu dans le circuit, entre une zone d'évaporation et une zone de condensation, les forces capillaires exercées sur la phase liquide du fluide contenue dans les canaux capillaires jouant un rôle de pompe sur le fluide Dans ce cas, le dispositif selon l'invention constitue un caloduc Un tel caloduc peut être composé de plusieurs sous- ensembles de feuillets, chaque sous-ensemble comprenant un circuit de canaux, isolé du circuit de chaque autre sous-ensemble, chaque circuit étant chargé d'un fluide dont les propriétés thermodynamiques permettent un travail du fluide sur des domaines de température différents
Mais dans un autre mode de réalisation, le dispositif selon l'invention comprend au moins un circuit de canaux, ouvert sur un circuit comprenant une pompe et un condenseur, le dispositif selon l'invention jouant alors le rôle d'un évaporateur et les forces capillaires exercées sur la phase liquide du fluide permettant de fixer celle-ci dans les canaux capillaires, et de le répartir par pompage capillaire, dans ces canaux
Par ailleurs, le transfert de chaleur doit être optimisé pour éviter les gradients de température en zones de transfert, chaudes et froides Selon une variante avantageuse du dispositif selon l'invention, cette qualité de transfert thermique est optimisée grâce à une géométrie particulière des extrémités Une disposition en « escalier » des limites liquide-gaz permet d'étaler tes ménisques de ces surfaces, et par là même de favoriser les 8
échanges thermiques
Selon un autre aspect, l'invention est un procédé pour la réalisation de dispositifs selon l'invention
Selon ce procédé, les principales opérations de construction du dispositif selon l'invention sont la découpe et la gravure des feuillets, le soudage « à plat, à la presse », et le détourage Ceci permet la réalisation simultanée d'un nombre important de pièces, ce qui est favorable à la fabrication en série Ceci n'est pas possible pour les caloducs traditionnels qui doivent être usinés un par un Le travail, par découpe et gravure à plat, des feuillets autorise une large liberté de dessin à coût réduit, pour le dispositif selon l'invention, et facilite la mise en réseau des conduits constitués d'un canal de transport gazeux et des canaux capillaires qui lui sont associés Cette particularité est d'autant plus remarquable que la réalisation de la gravure et de la découpe se fait simultanément partout sur un feuillet entier Le coût correspondant n'est donc pas proportionnel à la longueur des conduits nécessaires
D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit L'invention sera aussi mieux comprise à l'aide des références aux dessins sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement l'ensemble des étapes d'un exemple non limitatif de procédé mis en œuvre pour réaliser un dispositif selon l'invention ,
- la figure 2 est une vue en élévation de dessus d'un feuillet de base d'un mode de réalisation d'un dispositif conforme à la présente l'invention , - la figure 3 est une vue en élévation de dessous d'un feuillet intermédiaire du dispositif selon l'invention correspondant au même mode de réalisation que celui de la figure 2 ,
- la figure 4 est une vue en élévation de dessus d'un feuillet intermédiaire du dispositif selon l'invention correspondant au même mode de réalisation que celui de la figure 2n ,
- la figure 5 est une vue en élévation de dessus d'un feuillet supérieur du dispositif selon l'invention correspondant au même mode de réalisation que celui de la figure 2 ;
- la figure 6 représente schématiquement en coupe, selon la ligne A- A, un empilement des feuillets représentés aux figures 2, 3, 4 et 5 ; la figure 6a représente un tel empilement avec une échelle très dilatée dans la direction perpendiculaire au plan des feuillets ; la figure 6b représente de manière plus détaillée la section d'un canal de transport gazeux et des canaux capillaires associés adjacents ;
- la figure 7 représente schématiquement une vue en perspective d'un exemple de dispositif selon l'invention, reposant sur un outillage de montage ;
- la figure 8 représente schématiquement, vue de dessus, une application d'un dispositif selon l'invention, au refroidissement de composants sur circuits électroniques ;
- la figure 9 représente schématiquement, en coupe longitudinale, un dispositif selon l'invention, pris en sandwich entre deux circuits imprimés ;
- la figure 10 représente schématiquement un exemple d'utilisation d'un dispositif selon l'invention, pour le refroidissement d'un détecteur ;
- la figure 1 1 est une coupe schématique transverse d'un canal capillaire dans une variante du dispositif représenté sur la figure 6 ; - la figure 12 est une coupe schématique transverse d'un canal de transport gazeux entouré de ses canaux capillaires associés, dans une variante du dispositif représenté sur la figure 6 ;
- la figure 13 est une vue de dessus, en transparence, selon un plan parallèle au plan principal d'une variante du dispositif correspondant au mode de réalisation représenté sur les figures 2 à 6, d'une partie formant condenseur dans cette variante ;
- la figure 14 est une coupe schématique transverse, selon la ligne B- B de la figure 13, d'une ramification, située dans la . partie formant condenseur représentée sur la figure 13 ; et - la figure 15 est une vue de dessus, en transparence, selon un plan parallèle au plan principal d'une variante du dispositif correspondant au mode de réalisation représenté sur les figures 2 à 6, d'une partie formant 10
réservoir dans cette variante. Préférentiellement, mais de manière non limitative, un dispositif selon l'invention peut être réalisé selon le procédé illustré par la figure 1.
Ce procédé comprend une étape de gravure a de rainures dans des feuillets vierges 1 , une étape de dépôt b localisé d'un matériau d'assemblage, une étape d'empilement c des feuillets préalablement préparés selon les étapes a et b, et une étape de montage d pour souder ensemble les feuillets empilés selon l'étape c et former par exemple un caloduc 50. Un feuillet vierge 1 est constitué d'une plaque d'une épaisseur préférentiellement comprise entre 0,1 et 1 mm. Le matériau constitutif de ces feuillets est par exemple un métal. Ce peut être du cuivre, du nickel, du fer, de l'aluminium ou encore un de leurs alliages, tel que l'aluminium- béryllium ou l'acier inoxydable. La nature du métal des feuillets dépend du fluide actif utilisé.
Il faut plusieurs types de feuillets pour former un caloduc 50 selon l'invention. A partir d'un feuillet vierge 1 , on peut fabriquer des feuillets de base 2, des feuillets intermédiaires 3 et des feuillets supérieurs 4.
L'étape de gravure a est préférentiellement une gravure chimique avec masque d'épargne. Le masque définit les zones des rainures à graver. Ces rainures sont différemment gravées sur les feuillets de base 2, les feuillets intermédiaires 3 et les feuillets supérieurs 4. Cette étape de découpe a peut être réalisée en plusieurs opérations successives permettant de graver sélectivement, d'une part des zones gravées sur toute l'épaisseur 5 d'un feuillet, et d'autre part des zones gravées sur une plus faible épaisseur.
Ainsi, les zones gravées sur toute l'épaisseur 5 des feuillets sont destinées à fournir des canaux de transport gazeux 6. Les zones gravées sur une plus faible épaisseur forment une marche entre un premier niveau 7, situé, à la surface supérieure de chaque feuillet, et un deuxième niveau 8. Cette marche est destinée à la formation de canaux capillaires 9. Les bains d'attaque chimique utilisés pour la gravure, adaptés à la nature du matériau 11
des feuillets, sont classiques et connus de l'homme du métier.
Préférentiellement, les zones gravées entre les premier 7 et deuxième 8 niveaux, sont réalisées parallèlement aux zones gravées sur toute l'épaisseur 5 et sur toute la longueur de ces dernières. Ces zones gravées jusqu'au deuxième niveau 5 sont situées sur au moins un bord des zones gravées sur toute l'épaisseur 5, de manière à passer, transversalement par rapport à la direction longitudinale des canaux 6, 9, du premier niveau 7, au deuxième niveau 8, puis dans les zones gravées sur toute l'épaisseur 5, sans remonter au premier niveau 7. Eventuellement, des trous 10 et des échaπcrures 11 sont aussi gravés dans les feuillets, pour passer respectivement des pions 12 et des queusots 13 ou des bouchons 14 (ces éléments ne sont pas représentés sur la figure 1 ). Des trous 10 et des échancrures 11 sont représentés sur les figures 2 à 5. L'étape de dépôt b d'un matériau d'assemblage est réalisée selon des bandes adaptées pour obtenir un assemblage étanche des feuillets 2, 3, 4 entre eux et une séparation longitudinale des canaux gazeux 6, tout en maintenant une communication des canaux gazeux 6 entre eux, aux extrémités de ceux-ci. Lorsque les feuillets 2, 3, 4 sont en métal, ce matériau d'assemblage est aussi préférentiellement un métal. Avantageusement, ce métal est déposé par galvanoplastie, avec une géométrie déterminée par un masque d'épargne. Le métal ainsi déposé est adapté au type de montage d envisagé. Ce dépôt de métal 15 peut être différent selon que l'étape de montage d ultérieure est réalisée, par exemple, par thermo-compression ou par brasage. Ce métal est aussi choisi en fonction de la nature du matériau des feuillets 2, 3, 4. Ainsi, pour une étape de montage d réalisée par brasage, le métal de dépôt doit avoir une température de fusion inférieure à celle du métal constitutif des feuillets 2, 3, 4. Avec des feuillets 2, 3, 4 en cuivre, on peut utiliser l'or et l'argent pour un brasage par diffusion. Avec des feuillets 2, 3, 4 en acier inoxydable, on peut utiliser le nickel et l'or pour un brasage par diffusion. La nature du métal déposé dépend aussi du fluide actif utilisé. Par exemple, lorsque du 12
« Fréon » est utilisé comme fluide actif, le métal déposé peut être du cuivre ou de l'argent. L'épaisseur du métal déposé est typiquement comprise entre 5 et 10 μm. Le dépôt de métal 15 est réalisé, sur la face supérieure des feuillets, en bordure de l'ensemble constitué par une zone gravée sur toute l'épaisseur 5 et au moins un canal capillaire 9, de part et d'autre de cet ensemble (figures 2 et 4). Le dépôt de métal 15 est aussi réalisé sur le pourtour des feuillets (figures 2 et 4). Le métal est déposé en faible quantité afin qu'il ne vienne pas remplir, lors du montage, les zones destinées à former les canaux capillaires 9. Typiquement, l'épaisseur du dépôt de métal 15 est de 5 à 10 μm.
L'étape d'empilement c des feuillets, préalablement préparés selon les étapes a et b, est par exemple réalisée en posant successivement verticalement trois feuillets intermédiaires 3 sur un feuillet de base 2 et un feuillet supérieur 4 sur le feuillet intermédiaire 3 du dessus. Les feuillets 2, 3, 4 sont empilés, suivant l'étape c, en présentant les zones gravées jusqu'au deuxième niveau 8, tournées vers le dessus. Les zones gravées sur toute l'épaisseur 5 sont placées en vis-à-vis les unes des autres et définissent les canaux de transport gazeux 6. Lorsque les zones gravées jusqu'au deuxième niveau 8 sont recouvertes par le feuillet qui lui est immédiatement supérieur, elles constituent des canaux capillaires 9. L'empilement de feuillets 2, 3, 4 définit un caloduc 50. Comme représenté à la figure 7, pour faire l'assemblage, on peut aussi faire reposer ce caloduc 50, sur un support 16 (outillage) et recouvrir le tout d'un feuillet 17 permettant d'isoler le caloduc 50, des poids nécessaires à l'assemblage. Les pions 12 sont éventuellement disposés dans les trous 10, de manière à maintenir les feuillets rigoureusement alignés pendant l'étape ultérieure de montage d
L'étape de montage d est préférentiellement réalisée par brasage. De cette manière, le métal de brasage forme une phase liquide qui vient mouiller les zones sur lesquelles il est déposé et les zones du feuillet adjacent, situées en regard de celles-ci. Il assure ainsi la liaison des feuillets pressés l'un sur l'autre pour en assurer le contact. Ce brasage peut être 13
effectué sous vide (10"5 mbar) ou sous atmosphère gazeuse, mais préférentiellement sous atmosphère non oxydante. Une sous couche est éventuellement déposée entre le feuillet et le métal de brasage. Les feuillets sont ainsi joints entre eux, de manière étanche, tout autour de chaque feuillet et entre chaque ensemble constitué par un canal de transport gazeux et au moins un canal capillaire.
Des queusots 13 et les bouchons 14 sont disposés dans les orifices réalisés par superposition des échancrures 11.
Le fluide biphasique est introduit dans l'évaporateur, à l'aide des queusots 13 avant que ceux-ci ne soient obturés.
Le fluide utilisé dépend de la gamme de température d'utilisation visée. Ce peut être H20, NH3, de l'acétone, du « Fréon », du méthane, de l'éthane, etc.
De nombreuses variantes du procédé décrit ci-dessus peuvent être envisagées. Ainsi, par exemple, il a été décrit ci-dessus un procédé dans lequel l'étape de montage c est réalisée par brasage. Elle peut aussi être effectuée par thermo-compression. Dans ce cas, elle est préférentiellement réalisée sous vide pour éviter la passivation de la surface, par la fixation de composés non métalliques (O2, N2, H2O, graisses volatiles, etc.). La température de thermo-compression est située environ 50°C en dessous de la température de fusion du métal déposé à l'étape b. La pression exercée sur les zones à souder est d'environ 0,1 N/mm2.
Un exemple de dispositif selon l'invention est décrit ci-dessous de manière plus détaillée. Il s'agit d'un caloduc 50. Celui-ci comprend un feuillet de base 2, trois feuillets intermédiaires 3 et un feuillet supérieur 4.
Comme représenté sur la figure 2, le feuillet de base 2 a une forme allongée. Il a un encombrement hors tout de 215 mm de long, 69 mm de large et 0,25 mm d'épaisseur. Il comprend des zones gravées du premier niveau 7 jusqu'au deuxième niveau 8. La distance entre les premier 1 et deuxième 8 niveaux est de 70 μm. La largeur de ces zones est approximativement de 1 mm. Un dépôt de métal 15 est réalisé, sur le premier niveau 7, en périphérie du feuillet et selon des lignes équidistantes, 14
parallèles et globalement longitudinales. Quatre trous 10 sont gravés dans toute l'épaisseur du feuillet de base 2, à l'extérieur de la ligne formée par le dépôt de métal 15, en périphérie.
Comme représentés sur les figures 3 et 4, les feuillets intermédiaires 3 ont la même forme que le feuillet de base 2. Ils ont aussi un encombrement hors tout de 215 mm de long, 69 mm de large, mais une épaisseur de 200 μm.
Comme représenté sur la figure 3, un feuillet intermédiaire comprend des zones gravées sur toute son épaisseur 5. Ces zones sont situées au niveau de ses extrémités longitudinales pour former des trous 10, au niveau des extrémités de ses bords longitudinaux pour former des échancrures 11 et au niveau de lignes équidistantes parallèles et globalement longitudinales. Ces dernières sont au nombre de sept et sont destinées à former des canaux de transport gazeux 6. Les trois lignes les plus centrales sont plus longues que les autres et sont prolongées plus profondément dans la zone située entre les deux échancrures 11 disposées sur les deux bords longitudinaux opposés du feuillet intermédiaire 3. Toutes ces lignes débouchent, à chacune de leurs extrémités, sur une zone qui leur est transversale et gravée du premier niveau 7 jusqu'au deuxième niveau 8. Ainsi, ces zones gravées du premier niveau 7 jusqu'au deuxième niveau 8 définissent des zones de capillarité, qui lorsqu'elles sont baignées par la phase liquide du fluide condensé à ce niveau, redistribuent le liquide dans tous les canaux capillaires 9.
Comme représenté à la figure 4, un feuillet intermédiaire 3 comprend aussi des zones gravées du premier niveau 7 jusqu'au deuxième niveau 8. La distance entre les premier 7 et deuxième 8 niveaux est de 70 μm. Autour de chaque zone gravée sur toute l'épaisseur 5, définissant un canal de transport gazeux 6, des zones sont gravées jusqu'au deuxième niveau 8, tout en laissant en périphérie et entre chaque canal 6, des zones non gravées, au premier niveau 7. Les zones gravées jusqu'au deuxième niveau 8 communiquent entre elles et avec les échancrures 11.
Le dépôt de métal 15 est réalisé en périphérie du feuillet et selon des 15
lignes globalement longitudinales, sur le premier niveau 7, selon la même géométrie que le dépôt de métal 15 du feuillet de base 2.
Comme représenté à la figure 5, un feuillet supérieur 4 a une forme allongée, identique à celle du feuillet de base 2 et des feuillets intermédiaires 3. Ses longueur et largeur hors tout sont identiques à celles des feuillets de base 2 et intermédiaires 3. Son épaisseur est de 200 μm. Il comprend deux trous 10 à chacune de ses extrémités longitudinales.
Un feuillet de base 2, trois feuillets intermédiaires 3 et un feuillet supérieur 4 sont assemblés, par exemple suivant le procédé décrit ci- dessus, pour former un caloduc 50 ayant une épaisseur de l'ordre du millimètre (Fig. 6a). Ce caloduc 50 comprend sept canaux de transport gazeux 6. Huit canaux capillaires 9 débouchent sur chaque canal de transport gazeux 6 (Fig. 6b), soit 56 canaux capillaires 9 en tout. Chaque canal capillaire 9 a une section d'environ 70 μm par 1 mm. Les côtes de la structure empilées schématiquement représentée à la figure 6, ne sont pas à l'échelle. La figure 6a en particulier, a une échelle très dilatée dans la direction perpendiculaire au plan des feuillets, pour faire apparaître les canaux capillaires 9. Cependant, si l'on dispose de trois feuillets intermédiaires 3 de 0,2 mm d'épaisseur, dans lesquels sont réalisées des zones gravées sur toute l'épaisseur 5 de 1 mm de large et d'un feuillet de base 2 dans lequel sont gravés des sillons de 70 μm de profondeur et de 3 mm de large et qu'on les empile en mettant les zones gravées en coïncidence, on obtient sept canaux de transport gazeux ayant une section de 1 mm de large sur 0,6 mm d'épaisseur. Comme représenté à la figure 7, ce caloduc 50 est muni de queusots
13, ainsi que de bouchons 14 et est reporté sur un support 16 et recouvert d'un feuillet 17. Le support 16 est constitué d'une plaque de 220 mm de long, 76 mm de large et 10 mm d'épaisseur. Le feuillet 17 a une longueur et une largeur hors tout respectivement de 219 et 73 mm. Son épaisseur est de 1 mm.
Le caloduc 50 est maintenu sur le support 16 avec le feuillet 17 grâce à des pions 12. Il est chargé de poids isolés du feuillet 17 par des cales en 16
alumine qui permettent d'éviter le soudage des poids sur le feuillet 17. D'autres variantes du dispositif selon l'invention peuvent être envisagées. Un tel dispositif peut, par exemple, comprendre plus de feuillets intermédiaires 3. Par exemple, au total le nombre de feuillets empilés pour former un caloduc 50 peut être de 10 ou 20. De même, les canaux capillaires 9 destinés au transport de la phase liquide du fluide par capillarité et les canaux de transport gazeux 6 peuvent être réalisés de différentes manières. Par exemple, on a décrit ci-dessus un caloduc 50 avec un canal capillaire 9 situé de part et d'autre de chaque zone gravée sur toute l'épaisseur 5 des feuillets. Mais il peut n'être prévu un canal capillaire 9 que d'un seul côté de chaque zone gravée sur toute l'épaisseur 5. On peut aussi superposer plusieurs caloducs 50, les uns sur les autres.
Les dispositifs décrits ci-dessus comprennent des feuillets en métal , mais on ne s'éloignera pas de l'esprit de l'invention si les feuillets sont en matériau plastique, composite, etc. Le matériau d'assemblage est alors choisi en conséquence. Ce peut être une colle polymère, par exemple. Il peut même être envisagé de réaliser des soudures entre les feuillets, par fusion, sans matériau d'assemblage.
Il a été décrit ci-dessus des dispositifs selon l'invention dont les canaux capillaires 9 sont formés par gravure chimique de rainures dans un feuillet. Mais il peut aussi être envisagé de réaliser ces rainures par dépôt d'un matériau en surépaisseur sur les feuillets.
Des dispositifs selon l'invention peuvent trouver de nombreuses applications en thermique spatiale, en avionique, en électronique, en informatique, etc.
Les méthodes mises en œuvre dans le procédé décrit ci-dessus, en particulier le dépôt par galvanoplastie et la gravure chimique permettent de réaliser toutes sortes de géomètries avec des réseaux complexes de canaux, sans augmenter le nombre d'étapes de fabrication. Quel que soit le nombre de feuillets composant le dispositif selon l'invention, il peut n'être mis en œuvre qu'une seule étape de soudure.
De plus, un dispositif selon l'invention, aussi bien par sa forme que 17
par le type de procédé qui permet de le réaliser, permet leur intégration aisée à des circuits électroniques 20.
Comme illustré à la figure 8, des caloducs 50 disposés sur des circuits électroniques 20 permettent de refroidir des zones chaudes 21 sur lesquelles sont implantés des composants 22, générateurs de chaleur, en transportant la chaleur jusqu'à des zones de renvoi 23, même s'il faut contourner des orifices ou d'autres composants 22.
Comme illustré à la figure 9, un circuit imprimé 20 en résine époxy peut être collé, à plat sur chaque face principale d'un caloduc 50, en prenant ce dernier en sandwich. Ainsi, les canaux de transport gazeux 6 et capillaires 9 du caloduc 50 transfèrent directement la chaleur, des zones du circuit imprimé 20 où se situent des composants 22 à refroidir, vers un rack 40 échangeur thermique ou un radiateur. Une pince thermique 41 assure la conduction de la chaleur entre le caloduc 50 et le rack 40 ou le radiateur. Le caloduc 50 joue donc ici le rôle de support pour le circuit imprimé 20 en plus de sa fonction de conducteur thermique. Avec une structure analogue à celle décrite de manière détaillée ci-dessus, dont l'épaisseur est inférieure à
3 mm, il est possible d'évacuer de l'ordre de 10 W/cm2 sur au moins 5 cm2.
Comme indiqué plus haut, la faible épaisseur des dispositifs selon l'invention permet de les déformer pour certaines applications. Ainsi, comme illustré à la figure 10, un caloduc 50 peut être conformé en soufflet, pour refroidir par exemple un détecteur mobile 30. Il suffit de placer ce soufflet de manière à avoir des pliures de ce soufflet perpendiculaires au plan dans lesquels s'effectuent à la fois le mouvement généré par un dispositif de déplacement vertical 31 et le mouvement généré par un dispositif de déplacement horizontal 32, le caloduc 50 reliant le détecteur 30 à un élément de renvoi de la chaleur 33.
Par ailleurs, des essais effectués avec un dispositif selon l'invention, du type de celui représenté sur la figure 1 , c'est à dire à quatre étages, ont montré que l'effet caloduc n'était obtenu avec une bonne efficacité qu'en acceptant une différence de température élevée entre la source chaude et la source froide, en particulier pour des transferts de chaleur à flux élevé. 18
L'analyse des mécanismes d'échange, confirmée par des calculs numériques, montre que ce différentiel de température comporte essentiellement trois composantes :
- un gradient de température entre la surface du dispositif au niveau de la source chaude et la surface d'évaporation (=46% du total) ;
- un différentiel de température entre la surface d'évaporation et la surface de condensation du liquide (=8%) ;
- un gradient de température entre la surface de condensation et la surface du dispositif au niveau de la source froide (= 46% du total). L'importance des première et troisième composantes sont une conséquence de la faible conductivité thermique du fluide et de la concentration du flux au voisinage de la limite entre canaux capillaires 9 et canaux de transport gazeux 6. La deuxième composante est la seule fondamentalement liée au processus physique générateur du fonctionnement du dispositif selon l'invention, dans sa fonction de caloduc.
Pour réduire les effets néfastes des première et troisième composantes, on peut modifier la section des canaux capillaires 9 de la manière décrite ci-dessous. En coupe transverse, un canal capillaire 9 présente une forme globale en U avec deux parois de côté 25 parallèles correspondant aux branches du U et une paroi de fond 26. La paroi de fond 26 est perpendiculaire aux parois de côté 25 entre lesquelles elle s'étend. Ainsi, chaque paroi de côté 25 a un bord longitudinal lié à la paroi de fond 26 et un bord longitudinal libre 27 ou 28 parallèle au bord précédent.
Comme on peut le comprendre d'après la figure 11 , plus les bords longitudinaux libres 27, 28 sont décalés l'un par rapport à l'autre, plus le ménisque de séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse donne par mouillage une surface importante. Cette surface du ménisque correspond à une surface d'évaporation S plus grande. Le flux thermique F est défini par : F = ^-
S où P est la puissance thermique fournie au fluide dans le canal 19
capillaire 9.
Ceci permet d'obtenir la relation suivante entre le flux S, la conduction thermique λ du fluide dans le canal capillaire 9 et le gradient de température Aθ entre les parois 25, 26 du canal capillaire 9 et la surface d'évaporation S :
S e où e est l'épaisseur de fluide assurant la conduction thermique (l'épaisseur e est égale à la moitié de la largeur du canal capillaire 9 dans celui-ci et diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la paroi de fond 26, d'un bord libre vers l'autre).
Cette relation peut encore s'écrire :
On remarque donc que la réduction de l'épaisseur e et/ou l'augmentation de la surface d'évaporation S (qui intervient au carré) conduit(sent) à une réduction importante de Aθ.
De même, en augmentant la surface de condensation, par un décalage l'un par rapport à l'autre des bords longitudinaux libres 27, 28, du côté de la source froide du dispositif selon l'invention, on réalise une réduction du gradient de température entre la surface de condensation et les parois 25, 26 du canal capillaire 9.
L'augmentation des surfaces d'évaporation S et de condensation permet de réduire les première et troisième composantes citées du différentiel de température entre la source chaude et la source froide, grâce à une réduction de la concentration du flux au voisinage de la limite entre le canal capillaire 9 et le canal de transport gazeux 6.
Ceci permet d'augmenter proportionnellement le différentiel de température entre la surface d'évaporation S et celle de condensation, c'est à dire la deuxième composante mentionnée ci-dessus. Par conséquent, les performances du dispositif selon l'invention s'en trouve améliorées. De même, les différents canaux capillaires 9 peuvent tous avoir des 20
dimensions identiques. Mais, selon une variante avantageuse, ils peuvent avoir aussi des dimensions différentes, par exemple, dans le but particulier d'optimiser la conduction de la chaleur vers les zones de vaporisation où se situent les surfaces d'évaporation S. En pratique, le décalage entre les bords longitudinaux libres 27, 28 peut être variable ou constant sur toute la longueur du canal capillaire 9.
Dans un dispositif conforme à la présente invention, constitué de plusieurs feuillets intermédiaires 3, il est avantageux de minimiser les trajets de conduction thermique dans la masse des feuillets de base 2, intermédiaires 3 et supérieur 4, entre la face du feuillet de base 2 ou celle du feuillet supérieur 4 et les parois de côtés 25 et de fond 26 de chaque canal capillaire 9.
Comme l'illustre la figure 12, une disposition et un empilement des feuillets 2, 3, 4 de manière à former un canal de transport gazeux 6 dont la section transverse est globalement triangulaire, avec de bords libres longitudinaux 27, 28 en escalier, constitue une configuration qui permet de minimiser les trajets de conduction thermique mentionnés ci-dessus.
Par ailleurs, du côté de la source froide, il existe une autre variante avantageuse possible, pour le dispositif selon l'invention. En effet, les systèmes de collecte et de transfert de la chaleur qui servent de puits thermiques ne permettent généralement d'évacuer la chaleur que sous forme d'un flux thermique très faible, au niveau de la surface d'échange entre le dispositif et ces systèmes de collecte et de transfert thermique. Donc pour augmenter la puissance thermique échangée, il faut augmenter cette surface d'échange.
Ceci peut être par exemple obtenu en démultipliant, à proximité de la source froide, le nombre de conduits 51 constitués, pour chacun d'entre eux, d'un canal de transport gaezux 6 et de ses canaux capillaires 9 associés. La figure 13 représente un exemple où deux ce ces conduits 51 sont dédoublés. Dans cet exemple, chaque conduit 51 est divisé, au niveau de la source froide, en deux ramifications 52. Chacune de ces deux ramifications 21
52 débouche sur un collecteur 53 reliant entre elles, au niveau de la source froide, toutes les ramifications 52 de tous les conduits 51. L'ensemble des ramifications 52 débouchant dans un conduit 51 , doit avoir une section totale de canaux capillaires 9 suffisante pour que l'ensemble du fluide condensé puisse revenir par capillarité, de la source froide à la source chaude, dans les différents canaux capillaires 9 des conduits 51 situés entre ces deux sources. Typiquement, la section totale ces différents canaux capillaires 9 des différentes ramifications 52 débouchant dans un conduit 51 , est égale à celle de l'ensemble des canaux capillaires 9 de ce conduit 51.
L'ensemble des ramifications 52 constitue un condenseur. Comme représenté sur la figure 14, les canaux capillaires 9 de chaque ramifications sont avantageusement superposés les uns aux autres de manière à ce que les bords libres longitudinaux 26, 27 soient décallés les uns par rapport aux autres, comme décrit ci-dessus, afin d'augmenter la surface de condensation. Comme représenté aussi sur la figure 14, une disposition et un empilement des feuillets 2, 3, 4 de manière à former un canal de transport gazeux 6 triangulaire, au niveau des ramifications 52, constitue une configuration avantageuse qui permet de minimiser les trajets de conduction thermique mentionnés ci-dessus. Comme l'indiquent les flèches, sur cette figure, le flux thermique est très réparti.
Par ailleurs, pour que le dispositif selon l'invention fonctionne correctement, il est nécessaire de le remplir en fluide caloporteur avec précision. En effet, - si le remplissage était trop faible, une partie des canaux capillaires
9 serait asséchée et, compte tenu du principe de fonctionnement du dispositif selon l'invention, cet assèchement se produirait dans la partie du dispositif selon l'invention formant évaporateur, ce qui le rendrait le dispositif inopérant; mais - si le remplissage était trop important, une partie des canaux de transport gazeux 6 serait envahie par le fluide en excès et, compte tenu du même principe, l'excès serait localisé dans la partie du dispositif selon 22
l'invention formant le condenseur, ce qui le rendait également inopérant.
Or le volume de la partie capillaire est du même ordre de grandeur que celle correspondant aux canaux de transport gazeux 6. Et le remplissage se fait avec un fluide « sous vide », c'est à dire sous la seule pression de vapeur saturante. Ceci favorise l'apparition de bulles de vapeur un peu partout dans le circuit de remplissage. La manipulation de la phase liquide du fluide caloporteur, en petites quantités, est donc très délicate. Par conséquent, la précision de remplissage n'est pas meilleure que plus ou moins dix pour cent, par rapport à la quantité visée de fluide liquide. Ce qui reste insuffisant pour éviter les problèmes mentionnés ci-dessus.
Pour obtenir un fonctionnement correct du dispositif selon l'invention malgré cette imprécision sur les quantités de remplissage, la Demanderesse propose d'aménager au moins un réservoir 54 ayant un volume comparable à celui d'un canal de transport gazeux 6 et sur lequel débouchent des canaux capillaires 9, qui le mettent en communication avec le reste du dispositif selon l'invention.
Le volume de l'ensemble du ou des réservoir(s) 54 doit être préférentiellement approximativement égal à vingt pour cent de la quantité de fluide liquide, visée pour le remplissage du dispositif selon l'invention, c'est à dire aussi approximativement vingt pour cent du volume capillaire du dispositif selon l'invention. Ainsi, le réservoir 54 constitue une réserve mais permet aussi d'accueillir le fluide en excès.
Chaque réservoir 54 doit être situé dans la partie froide du dispositif selon l'invention. Mais il ne doit pas être situé au point le plus froid, car si c'était le cas, il contriburait à réduire la pression capillaire ramenant le fluide liquéfié de la partie du dispositif selon l'invention formant le condenseur vers celle formant évaporateur.
Une disposition satisfaisante consiste à placer chaque réservoir 54 avec les ramifications 52 du condenseur. Dans cette situation, chaque réservoir 54 est tenu froid par le contact du dispositif selon l'invention avec la source froide externe. N'étant pas chauffé par la circulation du gaz, il est plus froid que les ramifications 52 du condenseur. Cependant, étant dans 23
leur voisinage, il est réchauffé par eux et ne peut être beaucoup plus froid. La figure 15 illustre une telle disposition. Selon cette disposition, un ensemble de deux réservoirs 54 est situé entre deux ensembles de deux ramifications 52. Chaque réservoir 54 est entouré d'une zone de canaux capillaires 9, débouchant sur le collecteur 53 communiquant avec les quatre ramifications 52.

Claims

24REVENDICATIONS
1. Dispositif thermique à fluide biphasique actif, comprenant au moins un canal capillaire (9) et au moins un canal de transport gazeux (6), chaque canal capillaire (9) ayant une section adaptée pour que la phase liquide du fluide puisse y être pompée par des forces capillaires, chaque canal de transport gazeux (6) ayant une section supérieure à celle d'un canal capillaire (9), ce dispositif autorisant un passage réversible de fluide, entre au moins un canal capillaire (9) et au moins un canal de transport gazeux (6), au cours de la transition liquide/gaz ou gaz/liquide, consécutive des variations de température subies par au moins une zone du dispositif (50), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un feuillet (2, 3, 4) comportant sur l'une de ses deux faces principales, au moins deux rainures parallèles, communiquant longitudinalement l'une avec l'autre et au moins un feuillet (3, 4) apte à recouvrir les rainures pour former au moins un canal capillaire (9) et au moins un canal de transport gazeux (6).
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que chaque canal capillaire (9) a une dimension inférieure à approximativement 100 μm, perpendiculairement à la surface principale du feuillet (2, 3), sur laquelle affleure la rainure qui le constitue.
3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque canal capillaire (9) a une dimension comprise approximativement entre 50 et 70 μm, perpendiculairement à la surface principale du feuillet (2, 3), sur laquelle affleure la rainure qui le constitue.
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un nombre de feuillets (2, 3, 4) empilés les uns sur les autres, égal ou supérieur à deux, chacun ayant au moins une" rainure apte à former un canal de transport gazeux (6) communiquant sur toute sa longueur avec une rainure homologue d'un autre feuillet (3).
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les feuillets (2, 3, 4) sont réalisés en cuivre, nickel, fer ou 25
aluminium ou encore un de leurs alliages, tel que l'aluminium-béryllium ou l'acier inoxydable.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un circuit de canaux (6, 9) fonctionnant en boucle fermée et assurant, sans moteur, la circulation du fluide contenu dans le circuit, entre une zone d'évaporation et une zone de condensation, les forces capillaires exercées sur la phase liquide du fluide contenue dans les canaux capillaires (9) jouant un rôle de pompe sur le fluide.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est composé de plusieurs sous-ensembles de feuillets (2, 3, 4), chaque sous- ensemble comprenant un circuit de canaux (6, 9) isolé du circuit de chaque autre sous-ensemble, chaque circuit étant chargé d'un fluide dont les propriétés thermodynamiques permettent un travail du fluide sur des domaines de température différents.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un circuit de canaux (6, 9) ouvert sur un circuit comprenant une pompe et un condenseur, le dispositif jouant le rôle d'un évaporateur et les forces capillaires exercées sur la phase liquide du fluide permettant de fixer celle-ci dans les canaux capillaires (9) et de le répartir par pompage capillaire.
9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte un canal capillaire (9) présentant une forme globale en U avec deux parois de côté (25) parallèles correspondant aux branches du U et une paroi de fond (26), chaque paroi de côté (25) ayant un bord longitudinal lié à la paroi de fond (26) et un bord longitudinal libre (27 ou 28), parallèle au bord précédent, les bords longitudinaux libres(27, 28) étant décalés l'un par rapport à l'autre.
10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les feuillets (2, 3, 4) sont disposés et empilés de manière à former un canal de transport gazeux (6) dont la section transverse est globalement triangulaire, avec de bords libres longitudinaux (27, 28) en escalier, pour minimiser des trajets de conduction thermique. 26
11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte un conduit (51 ), constitué d'un canal de transport gazeux (6) et d'au moins un canal capillaire (9), se divisant en deux ramifications (52).
12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte un réservoir (54) situé dans une partie froide du dispositif, pour constituer une réserve de fluide ou recueillir le fluide en excès.
13 Procédé pour la réalisation de dispositifs selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de gravure chimique des rainures dans un feuillet (2, 3).
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'assemblage par brasage sous atmosphère non oxydante.
15. Procédé selon l'une des revendications 13 et 14, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de dépôt d'un matériau d'assemblage selon des bandes adaptées pour obtenir un assemblage étanche des feuillets (2, 3, 4) entre eux et une séparation longitudinale des canaux gazeux (6), tout en maintenant une communication des canaux gazeux (6) entre eux, aux extrémités de ceux-ci.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le matériau d'assemblage est un métal dont le point de fusion est inférieur à celui du métal des feuillets (2, 3, 4).
17. Procédé selon l'une des revendications 15 et 16, caractérisé en ce que le matériau d'assemblage est déposé par galvanoplastie, avec une géométrie déterminée par un masque d'épargne.
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