EP2852798A1 - Dispositif ameliore de transport de chaleur en boucle fermee - Google Patents

Dispositif ameliore de transport de chaleur en boucle fermee

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EP2852798A1
EP2852798A1 EP13724811.8A EP13724811A EP2852798A1 EP 2852798 A1 EP2852798 A1 EP 2852798A1 EP 13724811 A EP13724811 A EP 13724811A EP 2852798 A1 EP2852798 A1 EP 2852798A1
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EP
European Patent Office
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evaporator
condenser
transfer fluid
heat transfer
tank
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13724811.8A
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German (de)
English (en)
Inventor
Jocelyn BONJOUR
Frédéric Lefevre
Valérie SARTRE
Benjamin SIEDEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL, Institut National des Sciences Appliquees de Lyon filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2852798A1 publication Critical patent/EP2852798A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B23/00—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect
    • F25B23/006—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect boiling cooling systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/20—Disposition of valves, e.g. of on-off valves or flow control valves
    • F25B41/28—Disposition of valves, e.g. of on-off valves or flow control valves specially adapted for sorption cycles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/26—Problems to be solved characterised by the startup of the refrigeration cycle

Definitions

  • the present invention relates to the general technical field of heat-pipe heat exchangers, in particular with a view to removing heat from an element to be cooled, such as an electronic component.
  • the components of the electronic boards dissipate a significant amount of heat, causing a significant increase in their temperature and associated electronic circuits.
  • an excessive increase in the temperature of these electronic components can lead to a decrease in their reliability and / or reduce their service life.
  • a heat pipe is a closed system that allows, taking advantage of the phase changes of a coolant, to collect heat in one place and redistribute it to another.
  • a closed-loop heat pipe generally comprises an evaporator 1, a condenser 2, a steam supply pipe 31 between the evaporator 1 and the condenser 2, and a liquid supply pipe 32 between the condenser 2 and the evaporator 1 (see Figure 1).
  • the heat transfer fluid in the liquid state is heated and vaporizes.
  • the vapor thus obtained moves between the evaporator 1 and the condenser 2 through the steam supply pipe 31.
  • the steam is cooled and liquefies to its liquid form.
  • the liquid coolant is then returned to the evaporator 1 through the liquid supply line 32.
  • the ignition time of the heat pipe increases, the pressure in the heat pipe to reach a certain value to allow the displacement of the plug located in the steam supply pipe 31 towards the condenser.
  • priming duration is meant the time interval between the moment when the heat dissipated by the element to be cooled is applied to the evaporator and the moment when the coolant reaches a flow regime permanent. This can cause deterioration of the element to be cooled, it is not sufficiently cooled throughout the duration of priming of the heat pipe.
  • An object of the present invention is to provide a thermal dissipation device heat pipe to overcome the aforementioned drawback.
  • the invention proposes a closed-loop heat-sink heat dissipation device comprising a diphasic loop consisting of:
  • a steam supply duct between the evaporator and the condenser, said vapor supply duct being disposed downstream of the evaporator and upstream of the condenser to allow the passage of the heat transfer fluid in vapor form from the evaporator to the condenser,
  • the device further comprises a reservoir connected between the steam supply line and the liquid supply line, said reservoir comprising an adsorbent material for the adsorption / desorption of the heat transfer fluid.
  • Preferred but non-limiting aspects of the device according to the invention are the following:
  • the adsorbent material is chosen from the group consisting of clays, zeolites, activated charcoal or any other material leading to interactions of physisorption or chemisorption type with the coolant;
  • the heat transfer fluid is water
  • the device further comprises:
  • liquid bypass line for storing the heat transfer fluid in the tank, the liquid bypass line being connected to:
  • control system of the direction of circulation comprises at least three valves:
  • a first valve being positioned on the liquid supply line
  • a second valve being positioned on the liquid bypass line, a third valve being positioned on the steam bypass line;
  • control system further comprises at least one controller programmed to control the opening and closing of the valves to enable:
  • the reservoir is in thermal contact with the evaporator
  • the device further comprises a temperature sensor for a temperature measurement in the tank.
  • FIG. 1 illustrates an embodiment of a heat-sink with a heat-pipe effect of the prior art
  • FIG. 2 illustrates an exemplary heat sink with a heating effect according to the invention.
  • FIG. 2 there is illustrated an embodiment of a closed-loop heat sink heat dissipation device.
  • the device comprises a heat transfer fluid, an evaporator 1, a condenser 2, a steam supply line 31, a liquid supply line 32, a drain tank 4, two bypass lines 33, 34 and three valves 5 , 6, 7. It allows to cool an element - such as an electronic component - by moving the heat produced by it to the outside.
  • Heat transfer fluid The heat transfer fluid is used to transport the heat produced by the element to be cooled (not shown).
  • the quantity of heat transfer fluid contained in the assembly (or closed heat dissipation loop) composed of the evaporator 1, the condenser 2, and the supply lines 31, 32 is such that the liquid phase of the coolant is in equilibrium with its vapor phase so that moderate thermal variations ensure the change of liquid-vapor state of the coolant.
  • the coolant can be, for example, an oil, an alcohol (such as methanol, ethanol or glycol), an organic compound (such as acetone, ammonia), a liquid metal, or any type of coolant known to those skilled in the art.
  • an alcohol such as methanol, ethanol or glycol
  • an organic compound such as acetone, ammonia
  • a liquid metal or any type of coolant known to those skilled in the art.
  • the coolant is water.
  • the use of water as a coolant has many advantages, including:
  • the evaporator 1 makes it possible to vaporize (ie passage from the liquid state to the vapor state) the coolant coming from the condenser 2.
  • the evaporator 1 is intended to be in contact (or close to) the element to be cooled. . Evaporation of a fluid in the liquid state consumes heat. This induces cooling of the element to be cooled.
  • the evaporator 1 can be of any type known to those skilled in the art.
  • FIG. 2 An example of a capillary-type evaporator 1 is shown in FIG. 2. It comprises:
  • a block of thermally conductive material 12 such as copper including a face 13 intended to be in contact with the element to be cooled,
  • porous material 15 for transporting the coolant in the liquid state from the chamber 1 1 to the grooves 14.
  • the porous material 15 or the block of material 12 is in contact with the grooves 14 on the one hand and with the heat transfer fluid in the liquid state on the other hand,
  • the condenser 2 makes it possible to condense (i.e. passing from the vapor state to the liquid state) the coolant.
  • the condenser 2 may be of any type known to those skilled in the art. It can be composed of a curved tube in a form that maximizes heat exchange with the outside while minimizing its bulk.
  • the condenser may be formed of parallel tubes, helical, or in the form of a coil as shown in Figure 2. It may include fins if the air is the environment.
  • the supply ducts 31, 32 make it possible to transport the coolant between the evaporator 1 and the condenser 2.
  • the movement of the heat-transfer fluid in the ducts 31, 32 can be obtained for example by capillary pressure, by gravity, or using a pump or compressor.
  • Each pipe 31, 32 is dedicated to the transport of the coolant in a particular state. More specifically, the liquid supply line 32 is dedicated to the transport of the heat transfer fluid in the liquid state.
  • the steam supply pipe 31 is dedicated to the transport of heat transfer fluid in the vapor state.
  • the liquid supply pipe 32 is connected between the outlet 21 of the condenser 2 and the inlet 16 of the evaporator 1. It allows the transport of the heat transfer fluid in the liquid state in the direction going from the condenser 2 to the evaporator 1.
  • the steam supply duct 31 is connected between the outlet 17 of the evaporator 1 and the inlet 22 of the condenser 2. It allows the transport of the coolant in the vapor state in the direction from the evaporator 1 towards the condenser 2.
  • the assembly consisting of the evaporator 1, the condenser 2 and the supply lines 31, 32 form a closed loop circuit for the coolant.
  • the emptying tank 4 allows:
  • the dimensions of the emptying tank 4 are sufficient to be able to store all the quantity of coolant contained in the assembly consisting of the evaporator 1, the condenser 2 and the supply lines 31, 32.
  • hygroscopic material is housed in the tank 4 to allow the adsorption and desorption of the coolant.
  • hygroscopic material means a material capable of capturing a fluid by an adsorption phenomenon (physisorption or chemisorption).
  • the hygroscopic material may be selected from the group consisting of clays, polymers, zeolites, activated carbon.
  • the drain tank 4 is connected to the steam supply line 31 and the liquid supply line 32 via bypass lines 33, 34. More specifically, the device comprises a connected liquid bypass line 33:
  • This liquid bypass line 33 allows the passage of liquid heat transfer fluid from the condenser 2 to the emptying tank 4 when stopping the heat dissipating device.
  • the device also includes a connected steam bypass line 34:
  • This steam bypass line 34 allows the passage of the coolant in the vapor state from the drain tank 4 to the condenser 2 at the start of the heat dissipation device.
  • the emptying tank 4 is filled with the liquid heat transfer fluid by adsorption. This considerably reduces the charge (ie the quantity) of coolant contained in the assembly consisting of the evaporator 1, the condenser 2 and the steam and liquid supply pipes 31, 32 - and called in the following "Closed loop heat dissipation".
  • the emptying tank 4 can be thermally connected to the evaporator 1. This improves the evaporation of the heat transfer fluid located in the evaporator 1 during the stopping phase of the device. Indeed, the adsorption - implemented during the shutdown of the device - is an exothermic reaction. The heat generated by the emptying tank 4 during this adsorption reaction can therefore improve the evaporation of the liquid coolant remaining in the evaporator 1 if they are thermally connected. Vannes
  • the device also comprises three valves 5, 6, 7.
  • a first valve 5 is positioned between the inlet 35 of the liquid bypass line 33 and the inlet of the evaporator 1.
  • a second valve 6 is positioned on the steam bypass line 33.
  • a third valve 7 is positioned on the liquid bypass line 34.
  • the first, second and third valves 5, 6, 7 can be opened or closed to fill or empty the emptying tank 4 during the starting, stopping or steady-state phases of the heat dissipating device.
  • the second valve 6 is closed, while the first and third valves 5, 7 are open.
  • the valves used may be manually operated valves or electronically controlled valves - ie solenoid valves - that can be actuated according to the presence or absence of a heat flux imposed on the evaporator 1.
  • the device may include a controller for controlling the opening or closing of the valves.
  • the controller is for example a computer (s), a processor (s), a microcontroller (s), a microcomputer (s), a programmable controller (s) , a specific integrated application circuit (s), other programmable circuits, or other devices that include a computer such as a workstation.
  • the control of the valves by the controller may be a function of an actuation by the user, or a measurement from the device.
  • the activation of the controller may be a function of an actuation by the user, or a measurement from the device. For example, the activation of the controller:
  • the second and third valves 6, 7 are closed while the first valve 5 is open.
  • the coolant 3 is evaporated in the evaporator 1, set in motion, and transported to the condenser 2 through the steam supply pipe 31.
  • the heat transfer fluid in vapor form is converted into liquid and then transported to the evaporator 1 through the liquid supply line 32 for a new cycle.
  • the first and third valves 5, 7 are closed, while the second valve 6 is open.
  • the thermal inertia of the evaporator 1 makes it possible to change the liquid-vapor phase of the liquid remaining in the evaporator 1.
  • the heat released by the exothermic adsorption reaction can improve the evaporation of the liquid remaining in the evaporator 1.
  • the overpressure generated at the evaporator 1 by evaporation as well as the depression in the emptying tank 4 due to the adsorption of the heat transfer fluid ensure the transport of said fluid to the emptying tank 4.
  • the second valve 6 is closed.
  • the drain tank is hydraulically isolated from the other components of the device.
  • auxiliary heat source eg a Peltier effect module or a heating system
  • the overpressure generated by the desorption of the fluid and the depression caused by the condensation thereof in the condenser 2 allow the circulation of the coolant and the driving of the liquid coolant to the chamber 1 January.
  • the presence of a drain tank makes it possible to store / destock a part (or all) of the coolant during the start and stop phases of the heat sink device operating in a closed loop.
  • the emptying tank contains a high adsorbent material for the purpose of adsorbing the heat transfer fluid during a stop phase of the device, and to desorb it during a start-up phase of the device.
  • the presence of the drain tank has the advantage of avoiding the freezing of the coolant, said heat transfer fluid being able to undergo an increase in volume during its solidification. Indeed, when the coolant is stored in the drain tank, the latter being in the adsorbed phase, does not adopt the behavior of the liquid phase during its cooling. This makes it possible to avoid the risk of deterioration of the heat dissipating device during the solidification phases.
  • the presence of the drain tank also makes it possible to control the distribution of the coolant during the start-up phase of the device. Specifically, the presence of the drain tank reduces the priming time of the heat dissipating device by avoiding the formation of liquid or solid plugs in the steam supply line.
  • a variant of the device according to the invention consists of including the adsorbent material within the steam line, releasing the device from the valves and bypass lines.
  • the vapor line includes a reservoir containing the absorbent material or is devoid of reservoir.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de dissipation thermique à effet caloduc en boucle fermée comprenant une boucle diphasique constituée : -d'un évaporateur (1) pour vaporiser un fluide caloporteur, -d'un condenseur (2) pour liquéfier le fluide caloporteur, -d'une conduite d'amenée de vapeur (31) entre l'évaporateur et le condenseur, ladite conduite d'amenée de vapeur étant disposée en aval de l'évaporateur et en amont du condenseur pour permettre le passage du fluide caloporteur vapeur depuis l'évaporateur jusqu'au condenseur, -d'une conduite d'amenée de liquide (32) entre le condenseur et l'évaporateur, ladite conduite d'amenée de liquide étant disposée en aval du condenseur et en amont de l'évaporateur pour permettre le passage du fluide caloporteur liquide depuis le condenseur jusqu'à l'évaporateur, remarquable en ce que le dispositif comprend en outre un réservoir (4) connecté entre la conduite d'amenée de vapeur et la conduite d'amenée de liquide, ledit réservoir comprenant un matériau adsorbant pour l'adsorption/la désorption du fluide caloporteur.

Description

DISPOSITIF AMELIORE DE TRANSPORT DE CHALEUR EN BOUCLE FERMEE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine technique général des échangeurs de chaleur à effet caloduc, notamment en vue de l'évacuation de la chaleur d'un élément devant être refroidi, tel qu'un composant électronique.
PRESENTATION DE L'ART ANTERIEUR
Les composants des cartes électroniques dissipent une quantité importante de chaleur, provoquant une augmentation significative de leur température et des circuits électroniques associés. Or, une augmentation trop importante de la température de ces composants électroniques peut engendrer une baisse de leur fiabilité et/ou réduire leur durée de vie.
C'est pourquoi il est nécessaire d'évacuer la chaleur dissipée par les composants électroniques. Pour évacuer la chaleur, on peut utiliser des caloducs. Un caloduc est un système fermé qui permet, en profitant des changements de phase d'un fluide caloporteur, de prélever de la chaleur à un endroit et de la redistribuer à un autre.
Un caloduc en boucle fermée comporte généralement un évaporateur 1 , un condenseur 2, une conduite d'amenée de vapeur 31 entre l'évaporateur 1 et le condenseur 2, et une conduite d'amenée de liquide 32 entre le condenseur 2 et l'évaporateur 1 (cf. figure 1 ).
Au niveau de l'évaporateur 1 , le fluide caloporteur à l'état liquide est chauffé et se vaporise. La vapeur ainsi obtenue se déplace entre l'évaporateur 1 et le condenseur 2 à travers la conduite d'amenée de vapeur 31 . Au niveau du condenseur 2, la vapeur est refroidie et se liquéfie pour retrouver sa forme liquide. Le fluide caloporteur liquide est alors ramené vers l'évaporateur 1 à travers la conduite d'amenée de liquide 32. Lorsqu'un tel caloduc n'est pas en fonctionnement, il y a un risque que la vapeur contenue dans la conduite d'amenée de vapeur se liquéfie (ou se solidifie), engendrant alors un bouchon liquide (ou solide) entre l'évaporateur 1 et le condenseur 2.
Dans ce cas, la durée d'amorçage du caloduc augmente, la pression dans le caloduc devant atteindre une certaine valeur pour permettre le déplacement du bouchon situé dans la conduite d'amenée de vapeur 31 en direction du condenseur.
On entend, par « durée d'amorçage », l'intervalle de temps entre l'instant où la chaleur dissipée par l'élément à refroidir est appliquée à l'évaporateur et l'instant où le fluide caloporteur atteint un régime d'écoulement permanent. Ceci peut engendrer une détérioration de l'élément à refroidir, celui-ci n'étant pas suffisamment refroidi durant toute la durée d'amorçage du caloduc.
Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de dissipation thermique à effet caloduc permettant de pallier l'inconvénient précité.
RESUME DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention propose un dispositif de dissipation thermique à effet caloduc en boucle fermée comprenant une boucle diphasique constituée :
- d'un évaporateur pour vaporiser un fluide caloporteur,
- d'un condenseur pour liquéfier le fluide caloporteur,
- d'une conduite d'amenée de vapeur entre l'évaporateur et le condenseur, ladite conduite d'amenée de vapeur étant disposée en aval de l'évaporateur et en amont du condenseur pour permettre le passage du fluide caloporteur sous forme vapeur depuis l'évaporateur jusqu'au condenseur,
- d'une conduite d'amenée de liquide entre le condenseur et l'évaporateur, ladite conduite d'amenée de liquide étant disposée en aval du condenseur et en amont de l'évaporateur pour permettre le passage du fluide caloporteur liquide depuis le condenseur jusqu'à l'évaporateur, remarquable en ce que le dispositif comprend en outre un réservoir connecté entre la conduite d'amenée de vapeur et la conduite d'amenée de liquide, ledit réservoir comprenant un matériau adsorbant pour l'adsorption/la désorption du fluide caloporteur.
Des aspects préférés mais non limitatifs du dispositif selon l'invention sont les suivants :
- le matériau adsorbant est choisi parmi le groupe consistant en les argiles, les zéolites, le charbon actif ou tout autre matériau conduisant à des interactions de type physisorption ou chimisorption avec le fluide caloporteur ;
- le fluide caloporteur est de l'eau ;
- le dispositif comprend en outre :
o une conduite de dérivation de liquide pour le stockage du fluide caloporteur dans le réservoir, la conduite de dérivation de liquide étant connectée :
■ par l'une de ses extrémités à la conduite d'amenée de liquide et
■ par l'autre de ses extrémités au réservoir,
o une conduite de dérivation de vapeur pour le déstockage du fluide caloporteur vapeur du réservoir, la conduite de dérivation de vapeur étant connectée :
■ par l'une de ses extrémités au réservoir,
■ par l'autre de ses extrémités à la conduite d'amenée de vapeur, o un système de contrôle du sens de circulation du fluide caloporteur dans les conduites de dérivation, le système étant agencé pour :
■ permettre la circulation du fluide depuis le condenseur vers le réservoir dans la conduite de dérivation de liquide,
■ permettre la circulation du fluide depuis le réservoir vers le condenseur dans la conduite de dérivation de vapeur ;
- le système de contrôle du sens de circulation comprend au moins trois vannes :
o une première vanne étant positionnée sur la conduite d'amenée de liquide,
o une deuxième vanne étant positionnée sur la conduite de dérivation de liquide, o une troisième vanne étant positionnée sur la conduite de dérivation de vapeur ;
- le système de contrôle comprend en outre au moins un contrôleur programmé pour commander l'ouverture et la fermeture des vannes pour permettre :
o le stockage du fluide caloporteur dans le réservoir lors d'une phase d'arrêt du dispositif,
o le déstockage du fluide caloporteur du réservoir lors d'une phase de démarrage du dispositif ;
- lequel le contrôleur commande :
o l'ouverture des première et troisième vannes et la fermeture de la deuxième vanne lors de la phase de démarrage du dispositif,
o la fermeture des première et troisième vannes et l'ouverture de la deuxième vanne lors de la phase d'arrêt du dispositif ;
- le réservoir est en contact thermique avec l'évaporateur ;
- le dispositif comprend en outre un capteur de température pour une mesure de la température dans le réservoir.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques du dispositif de dissipation thermique ressortiront mieux de la description qui va suivre de plusieurs variantes d'exécution, données à titre d'exemples non limitatifs, à partir des dessins annexés sur lesquels :
- La figure 1 illustre un mode de réalisation d'un dissipateur thermique à effet caloduc de l'art antérieur,
- La figure 2 illustre un exemple de dissipateur thermique à effet caloduc selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE On va maintenant décrire plus en détail le dispositif selon l'invention en référence aux figures.
En référence à la figure 2, on a illustré un mode de réalisation d'un dispositif de dissipation thermique à effet caloduc en boucle fermée. Le dispositif comprend un fluide caloporteur, un évaporateur 1 , un condenseur 2, une conduite d'amenée de vapeur 31 , une conduite d'amenée de liquide 32, un réservoir de vidange 4, deux conduites de dérivation 33, 34 et trois vannes 5, 6, 7. Il permet de refroidir un élément - tel qu'un composant électronique - en déplaçant la chaleur produite par celui-ci vers l'extérieur.
Fluide caloporteur Le fluide caloporteur permet de transporter la chaleur produite par l'élément à refroidir (non représenté).
La quantité de fluide caloporteur contenue dans l'ensemble (ou boucle fermée de dissipation thermique) composé de l'évaporateur 1 , du condenseur 2, et des conduites d'amenée 31 , 32 est telle que la phase liquide du fluide caloporteur est en équilibre avec sa phase vapeur de sorte que des variations thermiques modérées assurent le changement d'état liquide-vapeur du fluide caloporteur.
Selon le niveau de température de fonctionnement, le fluide caloporteur peut être par exemple une huile, un alcool (comme du méthanol, de l'éthanol ou du glycol), un composé organique (comme de l'acétone, de l'ammoniac), un métal liquide, ou tout type de fluide caloporteur connu de l'homme du métier.
Dans un mode de réalisation, le fluide caloporteur est de l'eau. L'utilisation d'eau comme fluide caloporteur présente de nombreux avantages, et notamment :
- un coût très peu élevé et
- une toxicité nulle et
- l'ininflammabilité et
- d'excellentes performances thermiques.
L'eau présente cependant un inconvénient par rapport aux autres fluides caloporteurs : la masse volumique de l'eau solide est inférieure à celle de l'eau liquide. Cette propriété très rare, que l'eau ne partage qu'avec le bismuth, peut engendrer des dégâts dans le dispositif de dissipation thermique. Toutefois, comme on le verra dans la suite, le réservoir de vidange permet de remédier à cet inconvénient. Evaporateur
L'évaporateur 1 permet de vaporiser (i.e. passage de l'état liquide à l'état vapeur) le fluide caloporteur issu du condenseur 2. L'évaporateur 1 est destiné à être en contact (ou à proximité) de l'élément à refroidir. L'évaporation d'un fluide à l'état liquide consomme de la chaleur. Ceci induit un refroidissement de l'élément à refroidir.
L'évaporateur 1 peut être de tout type connu de l'homme du métier.
Un exemple d'évaporateur 1 , de type capillaire est illustré à la figure 2. Il comprend :
- une chambre 1 1 contenant du fluide à l'état d'équilibre liquide-vapeur pour recevoir le fluide caloporteur à l'état liquide issu du condenseur 2,
- un bloc de matériau thermiquement conducteur 12 tel que du cuivre incluant une face 13 destinée à être en contact avec l'élément à refroidir,
- des cannelures 14 dans le bloc de matériau thermiquement conducteur 12 ou dans le matériau poreux 15, au niveau desquelles le fluide caloporteur se vaporise, lesdites cannelures 14 s'étendant sur une face opposée à la face 13 destinée à être en contact avec l'élément à refroidir,
- un matériau poreux 15 permettant le transport du fluide caloporteur à l'état liquide depuis la chambre 1 1 vers les cannelures 14. Le matériau poreux 15 ou le bloc de matériau 12 est en contact avec les cannelures 14 d'une part et avec le fluide caloporteur à l'état liquide d'autre part,
- une entrée 16 connectée à la conduite d'amenée de liquide 32 et débouchant sur la chambre 1 1 , et
- une sortie 17 connectée aux cannelures 14 et débouchant sur la conduite d'amenée de vapeur 31 . Le principe de fonctionnement d'un tel évaporateur 1 est le suivant. Le fluide caloporteur à l'état liquide se déverse dans la chambre 1 1 . Le matériau poreux 15 absorbe le fluide caloporteur à l'état liquide. Le fluide caloporteur absorbé se déplace jusqu'aux cannelures 14. La chaleur issue de l'élément à refroidir échauffe le bloc de matériau conducteur 12, et également le matériau poreux 15.
Le fluide caloporteur à l'état liquide contenu dans le poreux se vaporise. Le fluide caloporteur à l'état vapeur s'échappe vers la sortie 17 de l'évaporateur 1 .
Condenseur
Le condenseur 2 permet de condenser (i.e. passage de l'état vapeur à l'état liquide) le fluide caloporteur.
Le condenseur 2 peut être de tout type connu de l'homme du métier. Il peut être composé d'un tube courbé selon une forme permettant de maximiser les échanges thermiques avec l'extérieur tout en minimisant son encombrement. Par exemple, le condenseur peut être formé de tubes parallèles, en forme d'hélice, ou encore en forme de serpentin comme illustré à la figure 2. Il peut comporter des ailettes si l'air est le milieu ambiant.
Conduites d'amenée
Les conduites d'amenée 31 , 32 permettent de transporter le fluide caloporteur entre l'évaporateur 1 et le condenseur 2. La mise en mouvement du fluide caloporteur dans les conduites 31 , 32 peut être obtenue par exemple par pression capillaire, par gravité, ou à l'aide d'une pompe ou d'un compresseur.
Chaque conduite 31 , 32 est dédiée au transport du fluide caloporteur dans un état particulier. Plus précisément, la conduite d'amenée de liquide 32 est dédiée au transport du fluide caloporteur à l'état liquide. La conduite d'amenée de vapeur 31 est dédiée au transport de fluide caloporteur à l'état vapeur. La conduite d'amenée de liquide 32 est connectée entre la sortie 21 du condenseur 2 et l'entrée 16 de l'évaporateur 1 . Elle permet le transport du fluide caloporteur à l'état liquide dans le sens allant depuis le condenseur 2 vers l'évaporateur 1 .
La conduite d'amenée de vapeur 31 est connectée entre la sortie 17 de l'évaporateur 1 et l'entrée 22 du condenseur 2. Elle permet le transport du fluide caloporteur à l'état vapeur dans le sens allant depuis l'évaporateur 1 vers le condenseur 2.
Ainsi, l'ensemble constitué de l'évaporateur 1 , du condenseur 2 et des conduites d'amenée 31 , 32 forment un circuit en boucle fermée pour le fluide caloporteur.
Réservoir de vidange
Le réservoir de vidange 4 permet :
- de stocker le fluide caloporteur lors de l'arrêt du dispositif,
- de déstocker le fluide caloporteur lors du démarrage du dispositif. Les dimensions du réservoir de vidange 4 sont prévues suffisantes pour pouvoir stocker toute la quantité de fluide caloporteur contenue dans l'ensemble constitué de l'évaporateur 1 , du condenseur 2 et des conduites d'amenée 31 , 32.
Un matériau hygroscopique est logé dans le réservoir 4 pour permettre l'adsorption et la désorption du fluide caloporteur. On entend, dans le cadre de la présente invention, par « matériau hygroscopique » un matériau apte à capter un fluide par un phénomène d'adsorption (physisorption ou chimisorption).
Le matériau hygroscopique peut être choisi parmi le groupe consistant en les argiles, les polymères, les zéolites, le charbon actif.
Le réservoir de vidange 4 est connecté à la conduite d'amenée de vapeur 31 et à la conduite d'amenée de liquide 32 par l'intermédiaire de conduites de dérivation 33, 34. Plus précisément, le dispositif comprend une conduite de dérivation de liquide 33 connectée :
- à la conduite d'amenée de liquide 32 d'une part, et
- au réservoir de vidange 4 d'autre part.
Cette conduite de dérivation de liquide 33 permet le passage du fluide caloporteur liquide issu du condenseur 2 vers le réservoir de vidange 4 lors de l'arrêt du dispositif de dissipation thermique.
Le dispositif comprend également une conduite de dérivation de vapeur 34 connectée :
- au réservoir de vidange 4 d'une part, et
- à la conduite d'amenée de vapeur 31 d'autre part.
Cette conduite de dérivation de vapeur 34 permet le passage du fluide caloporteur à l'état vapeur issu du réservoir de vidange 4 vers le condenseur 2 lors du démarrage du dispositif de dissipation thermique. Lors de l'arrêt du dispositif de dissipation de chaleur, le réservoir de vidange 4 est rempli avec le fluide caloporteur liquide par adsorption. Ceci permet de réduire considérablement la charge (i.e. la quantité) de fluide caloporteur contenu dans l'ensemble constitué de l'évaporateur 1 , du condenseur 2 et des conduites d'amenée de vapeur et de liquide 31 , 32 - et appelé dans la suite « boucle fermée de dissipation thermique ».
Le fait de réduire la charge de fluide caloporteur contenue dans la boucle fermée de dissipation thermique permet de limiter les risques de dégradation du dispositif liés au gel du fluide caloporteur, par exemple lorsque le dispositif est stocké dans un environnement dont la température est inférieure à la température de solidification du fluide caloporteur. Le réservoir de vidange 4 peut être relié thermiquement à l'évaporateur 1 . Ceci permet d'améliorer l'évaporation du fluide caloporteur situé dans l'évaporateur 1 lors de la phase d'arrêt du dispositif. En effet, l'adsorption - mise en œuvre lors de l'arrêt du dispositif - est une réaction exothermique. La chaleur dégagée par le réservoir de vidange 4 lors de cette réaction d'adsorption peut donc améliorer l'évaporation du fluide caloporteur liquide restant dans l'évaporateur 1 si ceux-ci sont reliés thermiquement. Vannes
Le dispositif comprend également trois vannes 5, 6, 7.
Une première vanne 5 est positionnée entre l'entrée 35 de la conduite de dérivation de liquide 33 et l'entrée de l'évaporateur 1 .
Une deuxième vanne 6 est positionnée sur la conduite de dérivation de vapeur 33.
Une troisième vanne 7 est positionnée sur la conduite de dérivation de liquide 34.
Les première, deuxième et troisième vannes 5, 6, 7 peuvent être ouvertes ou fermées pour remplir ou vider le réservoir de vidange 4 lors des phases de démarrage, d'arrêt ou fonctionnement en régime permanent du dispositif de dissipation thermique.
Par exemple, au démarrage, la deuxième vanne 6 est fermée, tandis que les première et troisième vannes 5, 7 sont ouvertes.
En régime permanent, les deuxième et troisième vannes 6, 7 sont fermées tandis que la première vanne 5 est ouverte.
Lors de l'arrêt les première et troisième vannes 5, 7 sont fermées, tandis que la deuxième vanne 6 est ouverte. Les vannes utilisées peuvent être des vannes à actionnement manuel ou des vannes à commande électronique - i.e. électrovannes - pouvant être actionnées selon la présence ou non d'un flux thermique imposé à l'évaporateur 1 . Dans ce cas, le dispositif peut comprendre un contrôleur pour commander l'ouverture ou la fermeture des vannes. Le contrôleur est par exemple un/des ordinateur(s), un/des processeur(s), un/des microcontrôleur(s), un/des micro- ordinateur(s), un/des automate(s) programmable(s), un/des circuit(s) intégré(s) spécifique(s) d'application, d'autres circuits programmables, ou d'autres dispositifs qui incluent un ordinateur tel qu'une station de travail.
La commande des vannes par le contrôleur peut être fonction d'un actionnement par l'utilisateur, ou d'une mesure issue du dispositif. Par exemple, l'activation du contrôleur :
- en mode de démarrage (i.e. ouverture des première et troisième vannes 5, 7, fermeture de la deuxième vanne 6) ou d'arrêt (i.e. fermeture des première et troisième vannes 5, 7, ouverture de la deuxième vanne 6) peut être obtenu par l'actionnement d'un bouton par l'utilisateur,
- en mode permanent (fermeture des deuxième et troisième vannes 6, 7, ouverture de la première vanne 5) peut être obtenu lorsqu'une mesure de température par un thermocouple positionné sur le réservoir de vidange est supérieure/inférieure à une valeur seuil.
On va maintenant décrire plus en détail le principe de fonctionnement du dispositif de dissipation thermique illustré à la figure 2.
Principe de fonctionnement dit normal
En fonctionnement normal, c'est-à-dire lorsque le dispositif de dissipation thermique a pour fonction de transporter de la chaleur de l'évaporateur 1 au condenseur 2, les deuxième et troisième vannes 6, 7 sont fermées tandis que la première vanne 5 est ouverte. Le fluide caloporteur 3 est évaporé dans l'évaporateur 1 , mis en mouvement, et transporté vers le condenseur 2 au travers de la conduite d'amenée de vapeur 31 .
Une fois dans le condenseur 2, le fluide caloporteur sous forme vapeur est transformé en liquide, puis transporté vers l'évaporateur 1 au travers de la conduite d'amenée de liquide 32 pour un nouveau cycle.
Principe de fonctionnement lors de l'arrêt du dispositif Lors de l'arrêt du fonctionnement normal du dispositif, c'est-à-dire lorsque le dispositif de dissipation thermique ne doit plus assurer de transport de chaleur, les première et troisième vannes 5, 7 sont fermées, tandis que la deuxième vanne 6 est ouverte. L'inertie thermique de l'évaporateur 1 permet le changement de phase liquide- vapeur du liquide restant dans l'évaporateur 1 .
Dans le cas où le réservoir de vidange 4 est relié thermiquement à l'évaporateur 1 , la chaleur dégagée par la réaction exothermique d'adsorption peut améliorer l'évaporation du liquide restant dans l'évaporateur 1 . La surpression générée à l'évaporateur 1 par évaporation ainsi que la dépression dans le réservoir de vidange 4 due à l'adsorption du fluide caloporteur assurent le transport dudit fluide vers le réservoir de vidange 4. Lorsque la quantité de fluide adsorbé est jugée satisfaisante, la deuxième vanne 6 est fermée. Ainsi, pour toute la durée de l'arrêt du dispositif, le réservoir de vidange est isolé hydrauliquement des autres composants du dispositif.
Principe de fonctionnement lors du démarrage du dispositif
Lors de la remise en fonctionnement du dispositif, la deuxième vanne 6 est fermée, tandis que les première et troisième vannes 5, 7 sont ouvertes.
Dans le cas où le réservoir adsorbant est relié thermiquement à l'évaporateur, la chaleur de la zone chaude est transmise au réservoir de vidange et permet la désorption du fluide contenu dans celui-ci. Une variante consiste à utiliser une source de chaleur auxiliaire (par exemple un module à effet Peltier ou un système de chauffage) pour améliorer cette phase de désorption.
La surpression générée par la désorption du fluide et la dépression entraînée par la condensation de celui-ci dans le condenseur 2 permettent la circulation du fluide caloporteur et l'entraînement du fluide caloporteur liquide vers la chambre 1 1 . La présence d'un réservoir de vidange permet donc de stocker/déstocker une partie (ou la totalité) du fluide caloporteur lors des phases de démarrage et d'arrêt du dispositif de dissipation thermique fonctionnant en boucle fermée.
Le réservoir de vidange contient un matériau à fort pouvoir adsorbant ayant pour but d'adsorber le fluide caloporteur lors d'une phase d'arrêt du dispositif, et de le désorber lors d'une phase de démarrage du dispositif.
La présence du réservoir de vidange a pour intérêt d'éviter le gel du fluide caloporteur, ledit fluide caloporteur étant apte à subir une augmentation de volume lors de sa solidification. En effet, lorsque le fluide caloporteur est stocké dans le réservoir de vidange, celui-ci étant en phase adsorbée, n'adopte pas le comportement de la phase liquide lors de son refroidissement. Ceci permet d'éviter le risque de détérioration du dispositif de dissipation thermique lors des phases de solidification.
La présence du réservoir de vidange permet également de contrôler la répartition du fluide caloporteur lors de la phase de démarrage du dispositif. Plus précisément, la présence du réservoir de vidange permet de réduire la durée d'amorçage du dispositif de dissipation thermique en évitant la formation de bouchons liquides ou solides dans la conduite d'amenée de vapeur.
Le lecteur aura compris que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit ci-dessus sans sortir matériellement des nouveaux enseignements et des avantages décrits ici. Par exemple, une variante du dispositif selon l'invention consiste à inclure le matériau adsorbant au sein même de la ligne vapeur, libérant le dispositif des vannes et des conduites de dérivation. Dans ce cas, la ligne de vapeur inclut un réservoir contenant le matériau absorbant ou est dépourvue de réservoir.
Par conséquent, toutes les modifications de ce type sont destinées à être incorporées à l'intérieur de la portée des revendications jointes.

Claims
REVENDICATIONS
Dispositif de dissipation thermique à effet caloduc en boucle fermée comprenant une boucle diphasique constituée :
- d'un évaporateur (1 ) pour vaporiser un fluide caloporteur,
- d'un condenseur (2) pour liquéfier le fluide caloporteur,
- d'une conduite d'amenée de vapeur (31 ) entre l'évaporateur et le condenseur, ladite conduite d'amenée de vapeur étant disposée en aval de l'évaporateur et en amont du condenseur pour permettre le passage du fluide caloporteur sous forme vapeur depuis l'évaporateur jusqu'au condenseur,
- d'une conduite d'amenée de liquide (32) entre le condenseur et l'évaporateur, ladite conduite d'amenée de liquide étant disposée en aval du condenseur et en amont de l'évaporateur pour permettre le passage du fluide caloporteur liquide depuis le condenseur jusqu'à l'évaporateur,
caractérisé en ce que le dispositif comprend en outre un réservoir
(4) connecté entre la conduite d'amenée de vapeur et la conduite d'amenée de liquide, ledit réservoir comprenant un matériau adsorbant pour l'adsorption/la désorption du fluide caloporteur.
Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le matériau adsorbant est choisi parmi le groupe consistant en les argiles, les zéolites, le charbon actif ou tout autre matériau conduisant à des interactions de type physisorption ou chimisorption avec le fluide caloporteur.
Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le fluide caloporteur est de l'eau.
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, lequel comprend en outre :
- une conduite de dérivation de liquide (33) pour le stockage du fluide caloporteur dans le réservoir, la conduite de dérivation de liquide étant connectée :
o par l'une de ses extrémités à la conduite d'amenée de liquide et o par l'autre de ses extrémités au réservoir, - une conduite de dérivation de vapeur (34) pour le déstockage du fluide caloporteur vapeur du réservoir, la conduite de dérivation de vapeur étant connectée :
o par l'une de ses extrémités au réservoir,
o par l'autre de ses extrémités à la conduite d'amenée de vapeur,
- un système de contrôle du sens de circulation du fluide caloporteur dans les conduites de dérivation, le système étant agencé pour :
o permettre la circulation du fluide depuis le condenseur vers le réservoir dans la conduite de dérivation de liquide,
o permettre la circulation du fluide depuis le réservoir vers le condenseur dans la conduite de dérivation de vapeur.
Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le système de contrôle du sens de circulation comprend au moins trois vannes :
- une première vanne
(5) étant positionnée sur la conduite d'amenée de liquide,
- une deuxième vanne (6) étant positionnée sur la conduite de dérivation de liquide,
- une troisième vanne (7) étant positionnée sur la conduite de dérivation de vapeur.
Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le système de contrôle comprend en outre au moins un contrôleur programmé pour commander l'ouverture et la fermeture des vannes pour permettre :
- le stockage du fluide caloporteur dans le réservoir lors d'une phase d'arrêt du dispositif,
- le déstockage du fluide caloporteur du réservoir lors d'une phase de démarrage du dispositif.
Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le contrôleur commande :
- l'ouverture des première et troisième vannes (5, 7) et la fermeture de la deuxième vanne
(6) lors de la phase de démarrage du dispositif,
- la fermeture des première et troisième vannes (5,
7) et l'ouverture de la deuxième vanne (6) lors de la phase d'arrêt du dispositif.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le réservoir est en contact thermique avec l'évaporateur.
9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, lequel comprend en outre un capteur de température pour une mesure de la température dans le réservoir.
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