EP3561428A1 - Caloduc a pompage capillaire a fonctionnement ameliore - Google Patents

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EP3561428A1
EP3561428A1 EP19168582.5A EP19168582A EP3561428A1 EP 3561428 A1 EP3561428 A1 EP 3561428A1 EP 19168582 A EP19168582 A EP 19168582A EP 3561428 A1 EP3561428 A1 EP 3561428A1
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EP
European Patent Office
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plates
heat pipe
groove
stack
spacer
Prior art date
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EP19168582.5A
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German (de)
English (en)
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EP3561428B1 (fr
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Jean-Antoine Gruss
Mathieu Mariotto
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00Heat-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
    • F28D15/02Heat-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
    • F28D15/0233Heat-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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00Heat-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
    • F28D15/02Heat-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
    • F28D15/04Heat-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

Definitions

  • the present invention relates to a capillary pumping heat pipe with improved operation.
  • the invention belongs to the field of heat exchange devices, in particular heat pipes, more particularly heat pumps with capillary pumping.
  • a heat pipe comprises a hermetically sealed enclosure, a working fluid and a capillary network. During manufacture, all the air present in the heat pipe is removed and an amount of liquid is introduced to saturate the capillary network. There is then establishment of a balance between the liquid phase and the vapor phase.
  • the liquid Under the effect of a heat source applied to one end, designated evaporator, the liquid vaporizes by inducing a slight excess pressure which causes the movement of steam towards the second end, designated condenser. At the condenser, the steam condenses and returns to the liquid phase.
  • the condensed fluid circulates in the capillary network and returns to the evaporator under the effect of capillary forces. The return of the liquid fluid from the condenser zone to the evaporator zone is obtained by capillary pumping.
  • Grooved heat pipes operate on the principle of capillary pumping. They comprise a tube in which the inner surface has longitudinal grooves or slightly spiral. Grooved heat pipes comprise a vapor core and a capillary network in which the liquid circulates. Due to a variation in curvature of the vapor-liquid interface between the condenser zone and the evaporator zone, a pressure gradient appears in the liquid, which leads to a variation in capillary pressure. The smaller the width of the grooves, the greater the capillary pumping effect.
  • the maximum power that can be transported by grooved heat pipes is generally fixed by the capillary limit whose motor term is the capillary pressure, and the term essentially limiting the loss of liquid pressure in the grooves.
  • heat pipes can be made by extrusion.
  • the ratio depth to width is of the order of 1.
  • the bottom of the grooves has rounded corners, which does not allow to have good capillary action in the corners.
  • Another technique uses mechanical machining, with this technique also the depth to width ratio is not substantially greater than 1.
  • Another technique uses chemical etching. But it also does not allow to have a depth to width ratio. In addition, the corners of the bottom of the grooves are rounded.
  • the document US 7,01793 describes a heat pipe comprising one or more zones of circulation of the fluid in vapor form and on either side of these zones porous zones of circulation of the liquid, these capillary zones extending over the entire heat pipe.
  • the heat pipe is made by stacking plates.
  • the capillary zones are obtained by stacking plates having windows, the windows having orthogonal directions from one plate to another.
  • a heat pipe comprising a stack of plates joined together hermetically.
  • the end plates form closure plates and the spacer plates are structured so that the stack of spacer plates delimit grooves extending along the entire length of the heat pipe channel and having a small width relative to its depth.
  • the heat pipe comprises at least three spacer plates, two first plates each having an opening of small transverse dimension and a second plate having a large opening transversely to the length of the heat pipe.
  • the second plate defines with the first two plates two grooves.
  • the width and depth of the capillary channels are fixed, respectively, by the thickness of the second plate and the difference between the transverse dimensions of the openings of the first and second plates.
  • the bottom of the grooves advantageously has corners delimited by flat surfaces.
  • a low groove width is chosen, which allows a large capillary pressure.
  • the capillary pumping effect is then improved, it follows that the power limit that can carry the heat pipe is increased.
  • the heat pipe comprises several channels, each channel being delimited by a series of openings made in the plates, each channel advantageously comprising at least one groove.
  • the grooves are delimited by stacked plates.
  • the depth and the width of the grooves are obtained separately, and the depth-to-width ratio limitations that arise, for example, in the case of extrusion or chemical etching, do not arise.
  • Each face of the groove in the direction of the stack is defined by a different plate of the plate defining the bottom of the groove in the direction of the plane.
  • the present invention therefore relates to a capillary pump heat pipe comprising a first end intended to be heated and a second end intended to be cooled, and a sealed enclosure extending between the first end and the second end, the enclosure comprising a stack of plates, said stack comprising two closure plates, and interlayers plates between the closure plates, each intermediate plate having at least one opening whose edges partially delimit a channel.
  • the openings of at least three spacer plates are dimensioned so that they delimit at least one groove extending between the first end and the second end of the heat pipe, said groove having a width in a direction of the stack less than or equal to at the depth in the direction of the plane of the plates.
  • the ratio between the depth and the width of the groove is advantageously between 1 and 80.
  • Each interposed plate may comprise p openings so that the stack of plates delimits p channels.
  • one is disposed between the two other spacer plates and is in mechanical contact with the other two spacer plates.
  • At least one edge of the opening of the intermediate plate disposed between the two other intermediate plates can form the bottom of at least one groove, and the edges of the openings of the two other intermediate plates delimiting the groove are corrugated or sawtooth .
  • the channel may comprise two lateral faces, said three intermediate plates delimiting a groove in each lateral face.
  • the intermediate plates may comprise n first intermediate plates and n + 1 second intermediate plates, the first n intermediate plates each having at least one opening of width L1, the n + 1 second intermediate plates each having at least one opening of width L2, the width L1 being greater than the width L2, and each first intermediate plate being received between two second spacer plates, each pair of first intermediate spacer plates defining with a second intermediate plate disposed between the first intermediate plates of said pair facing two grooves.
  • the capillary pumping heat pipe may comprise heat exchange means at the first end and / or second end.
  • the heat exchange means at the second end may comprise one or more fins in thermal contact with at least one of the closure plates.
  • the heat exchange means may comprise a fluid circuit in thermal contact with at least one of the end plates, said circuit being formed by a plate structured so as to delimit channels, said channels being closed by said closure plate and a additional closure plate, the heat exchange means also comprising means for supplying heat transfer fluid to said fluidic circuit.
  • At least one of the end plates has a surface greater than that of the intermediate plates in a direction transverse to the stack so as to form thermal diffusers.
  • the plates comprise an aluminum alloy core and on its outer faces an eutectic aluminum alloy with a melting point lower than that of the core aluminum alloy and in which the joining is obtained by eutectic soldering. .
  • FIG. 1A On the Figure 1A can be seen a capillary pump heat pipe C1 seen from the outside extending along a longitudinal axis X.
  • the longitudinal direction is that given by the axis X.
  • the heat pipe C1 comprises a hermetic enclosure 2 extending along the longitudinal axis X and having a first longitudinal end 4 and a second longitudinal end 6.
  • the first end 4 is for example intended to be disposed at a heat source SC.
  • the first end is designated evaporator, and the second end 4 is for example intended to be disposed at a cold source SF.
  • the second end is designated condenser.
  • the heat source is for example an electrical or electronic component, a hot storage, an exothermic chemical reactor.
  • the heat pipe preferably has a shape such that it extends in the XY plane, so as to have faces 7.1, 7.2, parallel to the XY plane, having large surface favoring the exchange of heat with the heat source and the source cold.
  • the heat pipe is in contact with the heat source and the cold source on one or both surfaces 7.1, 7.2 of large surface area.
  • the faces 7.1, 7.2 of larger area are in the example shown orthogonal to the direction Z.
  • the heat pipe C1 comprises a channel 8 extending along the longitudinal axis X and grooves 10 extending along the longitudinal axis X on either side of the channel 8 in a direction Y orthogonal to the X axis.
  • the grooves 10 are formed in the side walls 8.1, 8.2 of the channel 8.
  • the side walls are considered relative to the longitudinal direction X and are located in intersecting planes to the planes of the faces 7.1, 7.2 of the largest surface of the heat pipe.
  • the enclosure of the heat pipe comprises a stack E of plates delimiting the channel 8 and the grooves 10.
  • the stack E comprises two end plates 12 located at the ends of the stack in a direction Z orthogonal to the X and Y directions.
  • the end plates 12 are intended to close the channel 8 and are also designated “closure plates ".
  • the stack comprises intermediate plates 14, 16 arranged between the end plates 12.
  • the intermediate plates comprise first intermediate plates 14 and second intermediate plates 16, the second intermediate plates 16 alternate with the first intermediate plates 14.
  • Each first intermediate plate 14 has a thickness e1, and has an opening 18 extending in the direction X and in the direction Y.
  • the opening 18 has a rectangular shape having a dimension I1 in the direction X and a dimension L1 in the Y direction.
  • Each second spacer plate 16 has a thickness e2 and has an opening 20 extending in the X direction and in the Y direction.
  • the opening 20 has a rectangular shape and has a dimension I2 in the X direction and a dimension L2 in the Y direction.
  • the dimensions I1 and I2 are equal or close and correspond to the length of the channel 8.
  • the dimension L1 is smaller than the dimension L2.
  • Each first plate participates in delimiting grooves 10.
  • the grooves have a thickness equal to the thickness e2 of the second plate 16 and a depth equal to (L1-L2) / 2, considering that the grooves 10 on either side of the X axis have the same depth and that the openings are centered with respect to the edges of the plates.
  • the openings are made by punching, cutting, for example by laser or water jet.
  • Capillary pressure is the pressure difference between the vapor phase and the liquid phase in the vicinity of the meniscus.
  • the menisci M can be seen in the grooves 10 at the evaporator, and on the figure 3B at the condenser level.
  • the capillary pressure is inversely proportional to the radius of curvature of the meniscus. This radius of curvature is very large at the condenser, and is substantially lower at the evaporator.
  • the bottom of the grooves has substantially right angles which is favorable to the capillary action, contrary to the rounded corners of the grooves obtained by extrusion or etching for example.
  • the heat pipe is filled with a two-phase fluid, it may be a fluid well known to those skilled in the art. This is chosen for example depending on the operating temperature range and storage of the device, depending on the constraints due to pressure, flammability, fluid toxicity and chemical compatibility between the fluid and the material. forming the heat pipe.
  • a heat pipe made of aluminum alloy assembled by eutectic solder ammonia, acetone, methanol, n-heptane, R134a or other fluorinated refrigerants can be used as the fluid.
  • the liquid is evaporated on the evaporator and the steam generated circulates in the central channel to the condenser. At the condenser, the steam condenses. The liquid flows in the grooves towards the evaporator. The curvature of the meniscus at the evaporator causes a difference in capillary pressure between the evaporator and the condenser, favoring liquid flow to the evaporator and vapor flow to the condenser.
  • the radius of curvature of the meniscus is reduced to the evaporator, which increases the capillary pressure and thus the pumping of the liquid towards the evaporator.
  • the technique of manufacturing by stacking plates makes it possible to obtain a high depth / width ratio of the grooves, which makes it possible to increase the section of liquid passage of the grooves and thus to reduce the loss of liquid pressure.
  • the width of the grooves is between 0.05 mm and 6 mm, and can reach 0.05 mm. It should be noted that in the case of heat pipe of the state of the art obtained by extrusion, the width of the grooves is at least of the order of 0.2 mm for small diameters of heat pipe, for example of lower inner diameter at 10 mm, and about 0.5 mm for larger diameters
  • the depth of the grooves is between 1 mm and 4 mm, and is very advantageously equal to 3 mm.
  • the depth / width ratio of the grooves can be at least 20 or more with grooves 0.05 mm wide. In the case of heat pipe of the state of the art obtained by extrusion, the depth / width ratio is of the order of 1.
  • the distance between the evaporator and the condenser can vary from a few centimeters to a few meters.
  • the heat pipe according to the invention can be made of different materials such as, for example, an aluminum alloy, copper, stainless steel.
  • the material or materials used for the manufacture of the heat pipe are chosen according to the constraints of mass, assembly, the required robustness ...
  • the technique of joining the sheets depends on the material.
  • solder diffusion solder diffusion, bonding ...
  • the assembly of aluminum alloy plates is obtained by eutectic soldering.
  • Aluminum alloy plates are used in known manner, one or both of which faces or is coated with an aluminum alloy having a lower melting point.
  • an alloy sheet of the AA3xxxx series core is used, with a coating with a eutectic alloy of the AA4xxxx series comprising silicon having a lower melting point.
  • the coating is typically done by a roll-bond technique.
  • the total thickness of the plates is typically 0.05 mm to 5 mm, with a coating typically of 5% to 10% of the total thickness.
  • the eutectic alloy melts on the surface and forms a solder alloy. sealing assembly between the two plates.
  • the heat pipe C3 comprises several channels 108 arranged next to each other.
  • the heat pipe C3 comprises two closure plates 112, a plurality of stacked plates, the spacer plates 114 and 116 have as many openings as channels.
  • all the second spacer plates 116 have the widest openings so that the side edges of the openings form the bottom of the grooves and all the first spacer plates 114 have the narrowest openings, so that the faces first plates form the lateral flanks of the grooves.
  • spacer plates 114 could have wider apertures and narrower apertures as well as plates 116.
  • the heat pipe C3 makes it possible to increase the heat flux transmitted and / or the exchange surface.
  • the different channels may not have the same number of grooves and / or the same distribution of grooves.
  • edges of the openings defining the grooves are straight and parallel to each other.
  • first intermediate plates 214 having openings 220 comprising corrugated side edges 220.1
  • second intermediate plates 216 having openings 218 with straight lateral edges 218.1 can be seen.
  • FIG. 8 an exploded view of the heat pipe C4 can be seen with several second spacer plates 216 alternating with first spacer plates 214 between two end plates 212.
  • FIG. 9 one can see a detail view of a channel obtained and a groove 210.
  • the groove is corrugated in the XY plane.
  • This form makes it possible to increase the length of the triple line, especially in the evaporator zone, which makes it possible to increase the evaporation exchange coefficient.
  • the corrugated shape makes it possible to obtain walls not wetted by the condensation film at the vertices of the corrugations. This also makes it possible to increase the condensation exchange coefficient by minimizing the interface resistance of the condensation film.
  • the bottom of the grooves is straight.
  • it can also be corrugated.
  • the edges 320.1 of the openings are sawtooth.
  • the grooves 310 are also sawtooth in the XY plane.
  • the exchange coefficients for condensation and evaporation are increased.
  • the channel has a section other than rectangular, it is for example trapezoidal.
  • the heat pipe has a parallelepipedal shape.
  • the surface of the plates may vary. It can be envisaged that the surface of the plates decreases in the Z direction, as shown in FIG. figure 11 .
  • the width of the spacer plates is variable along the X direction, for example to make a condenser more large area that the evaporator like this is schematized on the figure 12 representing a first intermediate plate 414.
  • the openings are shaped so as to cover the entire surface, they are not parallel.
  • only one of the side faces of the channel has grooves.
  • the grooves 610 in one lateral face are offset with respect to the grooves in the other lateral face as is schematized on the figure 20 . This exemplary embodiment makes it possible to use the same type of sheet to form all the spacer plates, for that it suffices to turn each plate alternately upside down.
  • the grooves do not have the same depth in the same channel and / or channel to another.
  • C5 heat pipe It is close to the C3 heat pipe, it further comprises thermal diffusers or "spreader" in English terminology extending parallel to the XY plane.
  • the thermal diffusers are in one piece with the closure plates and extend symmetrically on both sides of the channel. These diffusers have the effect of spreading the heat flow over a wider area and increasing the overall efficiency of the thermal system.
  • only one of the two closure plates comprises diffusers and / or diffusers are provided only on one side of the XZ plane and / or the diffusers have different surfaces on either side of the XZ plane. It may be envisaged that the size of the diffuser (s) will be reduced for example in the X direction.
  • the heat pipe C6 does not have a straight shape, it comprises two straight portions D1 and D2 oriented at right angles to one another.
  • the portions D1 and D2 extend in orthogonal planes.
  • the portion D1 extends in the plane XY and the portion D2 extends in the plane XZ.
  • the orientation of the portions D1 and D2 relative to each other is for example obtained by folding after stacking the plates and their joining. P1 denotes the fold.
  • the C6 heat pipe can be consistent with the application.
  • the heat pipe may have several bends.
  • the portion D1 forms the evaporator and the portion D2 forms the condenser and is provided on its outer surfaces fins A1 forming a radiator for evacuating heat.
  • the radiator is for example in natural convection or forced convection.
  • the fins are provided on both large surface faces of the condenser. Alternatively, fins on a single surface could be considered.
  • the fins comprise flat plates perpendicular to the faces of the condenser. Any other form is conceivable.
  • the fins are extruded fins, skived fins, pinned fins, molded fins, knuckle-fixed fins, fins produced by 3D printing, or any other fin obtained by a technique of performing extension of surface well known to those skilled in the art.
  • a cooling circuit is integrated directly into the heat pipe C7 as shown in FIG. figure 16 .
  • the heat pipe comprises a cooling circuit 524 in which circulates a coolant.
  • the cooling circuit is in direct contact with the condenser.
  • the cooling circuit 524 is formed by an additional plate 526, in which are formed grooves 528 defining the side walls of the circuit, and the closure plate 512 and an additional closure plate 530 form the walls of the end of the cooling circuit.
  • the additional closure plate 530 has two orifices 532 each opening at one end of the circuit and allowing the circulation of the coolant.
  • the coolant can be a liquid or a gas.
  • it is a two-phase circuit.
  • Such a circuit can also be used to form the heat source at the evaporator.
  • FIG. Figure 17A A heat pipe of the state of the cylindrical technique obtained by extrusion and having longitudinal grooves 610, as shown in FIG. Figure 17A .
  • Each heat pipe has a length of the evaporator of 50 mm, a length of the adiabatic zone of 100 mm, a length of the condenser of 110 mm
  • Each heat pipe is made of copper.
  • the temperature in the adiabatic zone of the heat pipe is 60 ° C; i.e. the average vapor temperature of the heat pipe.
  • the heat pipe according to the invention is more efficient than the heat pipe of the state of the art, regardless of the inclination of the heat pipe.
  • the heat pipe according to the invention is more efficient than the heat pipe of the state of the art, whatever the temperature of the heat pipe.
  • Plates of a given material are cut in the desired outer shape for the heat pipe.
  • the openings are made in all the interlayers.
  • the openings are made for example by punching, laser cutting, by water jet cutting or by chemical etching through ... openings of different dimensions son made in the different plates so that once assembled grooves are formed.
  • the plates are then stacked so as to delimit the grooves, closure plates are arranged at the ends of the stack to close the channel or channels.
  • Optionally cooling channels are provided on one or both sides of the stack.
  • the plates are assembled, the assembly technique being chosen according to the material or materials of the plates, for example welding, brazing, gluing ... the assembly of the plates is sealed.
  • the heat pipe is then filled.
  • a fill port was provided in one of the opening plates during the manufacture of the plates.
  • the fluid is chosen according to the operating conditions of the heat pipe (operating temperature, etc.) and the compatibility with the material or materials of the heat pipe.

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Abstract

Caloduc à pompage capillaire comprenant une première extrémité destinée à être échauffée et une deuxième extrémité destinée à être refroidie, et une enceinte étanche s'étendant entre la première extrémité et la deuxième extrémité, l'enceinte comprenant un empilement de plaques (12, 14, 16), ledit empilement comportant deux plaques de fermeture (12), et des plaques intercalaires (14, 16) entre les plaques de fermeture (12), chaque plaque intercalaire (14, 16) comportant une ouverture dont les bords délimitent en partie un canal (8). Les ouvertures d'au moins trois plaques intercalaires (14, 16) sont dimensionnées de sorte qu'elles délimitent des rainures (10) s'étendant entre la première extrémité et la deuxième extrémité du caloduc, les rainures (10) présentant une largeur dans une direction de l'empilement est inférieure à la profondeur dans la direction du plan des plaques (14, 16).

Description

    DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
  • La présente invention se rapporte à un caloduc à pompage capillaire à fonctionnement amélioré.
  • L'invention appartient au domaine des dispositifs d'échange thermique, en particulier des caloducs, plus particulièrement des caloducs à pompage capillaire.
  • Un caloduc comporte une enceinte hermétiquement close, un fluide de travail et un réseau capillaire. Lors de la fabrication, tout l'air présent dans le tube caloduc est évacué et on introduit une quantité de liquide permettant de saturer le réseau capillaire. Il y a alors établissement d'un équilibre entre la phase liquide et la phase vapeur.
  • Sous l'effet d'une source de chaleur appliquée à l'une des extrémités, désignée évaporateur, le liquide se vaporise en induisant une légère surpression qui provoque le mouvement de la vapeur vers la seconde extrémité, désignée condenseur. Au condenseur, la vapeur se condense et repasse en phase liquide. Le fluide condensé circule dans le réseau capillaire et revient vers l'évaporateur sous l'effet de forces capillaires. Le retour du fluide liquide de la zone condenseur à la zone évaporateur est obtenu par pompage capillaire.
  • Les caloducs à rainures fonctionnent sur le principe du pompage capillaire. Ils comportent un tube dans lequel la surface intérieure comporte des rainures longitudinales ou légèrement en forme de spirale. Les caloducs à rainures comportent un coeur vapeur et un réseau capillaire dans lequel circule le liquide. Du fait d'une variation de courbure de l'interface vapeur-liquide ente la zone condenseur et la zone évaporateur, un gradient de pression apparaît dans le liquide, qui mène à une variation de pression capillaire. Plus la largeur des rainures est petite, plus l'effet de pompage capillaire est important.
  • Par ailleurs, des rainures profondes permettent d'obtenir une section de passage pour le retour liquide grande, et donc de minimiser la perte de pression.
  • La puissance maximale que peuvent transporter des caloducs à rainures est généralement fixée par la limite capillaire dont le terme moteur est la pression capillaire, et le terme limitant essentiellement la perte de pression liquide dans les rainures.
  • Or les techniques de réalisation de l'état de la technique de ces caloducs ne permettent pas d'obtenir des rainures ayant une profondeur sensiblement plus grande que leur largeur.
  • Ces caloducs peuvent être réalisés par extrusion. Avec une telle technique, le rapport profondeur sur largeur est de l'ordre de 1. En outre, le fond des rainures présente des coins arrondis, ce qui ne permet pas d'avoir une bonne action capillaire dans les coins.
  • Une autre technique utilise l'usinage mécanique, avec cette technique également le rapport profondeur sur largeur n'est pas sensiblement supérieur à 1.
  • Une autre technique utilise la gravure chimique. Mais elle ne permet pas non plus d'avoir un rapport profondeur sur largeur important. En outre, les coins du fond des rainures sont arrondis.
  • Le document US 7 051793 décrit un caloduc comportant une ou plusieurs zones de circulation du fluide sous forme vapeur et de part et d'autre de ces zones des zones poreuses de circulation du liquide, ces zones capillaires s'étendant sur tout le caloduc.
  • Le caloduc est réalisé par empilement de plaques. Les zones capillaires sont obtenues en empilant des plaques comportant des fenêtres, les fenêtres ayant des directions orthogonales d'une plaque à l'autre.
  • L'effet de pompage n'est pas optimal. En outre, une importante perte de charge existe. Ce caloduc étale le flux thermique sur la largeur du caloduc et n'est pas optimisé pour le transport du flux de chaleur sur sa longueur.
  • EXPOSÉ DE L'INVENTION
  • C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un caloduc à pompage capillaire à fonctionnement amélioré.
  • C'est également un but additionnel de la présente invention d'offrir un caloduc à pompage capillaire de réalisation simplifiée.
  • Les buts énoncés ci-dessus sont atteints par un caloduc comportant un empilement de plaques solidarisées entre elles de manière hermétique. Les plaques d'extrémité forment des plaques de fermeture et les plaques intercalaires sont structurées de sorte que l'empilement de plaques intercalaires délimitent des rainures s'étendant sur toute la longueur du canal du caloduc et présentant une largeur faible par rapport à sa profondeur.
  • Pour cela, dans un exemple de réalisation, le caloduc comporte au moins trois plaques intercalaires, deux premières plaques présentant chacune une ouverture de faible dimension transversale et une deuxième plaque présentant une ouverture de grande dimension transversalement à la longueur du caloduc. Ainsi la deuxième plaque délimite avec les deux premières plaques deux rainures. La largeur et la profondeur des canaux capillaires sont fixées, respectivement, par l'épaisseur de la deuxième plaque et la différence entre les dimensions transversales des ouvertures des première et deuxième plaques. En outre, le fond des rainures présente avantageusement des coins délimités par des surfaces planes.
  • Grâce à l'invention, on choisit une largeur de rainure faible, ce qui permet une pression capillaire importante. De plus, on peut avantageusement choisir un rapport largeur sur profondeur des rainures important, la perte de pression capillaire est alors diminuée
  • L'effet de pompage capillaire est alors amélioré, il en résulte que la puissance limite que peut transporter le caloduc est augmentée.
  • De manière avantageuse, le caloduc comporte plusieurs canaux, chaque canal étant délimité par une série d'ouvertures réalisées dans les plaques, chaque canal comportant avantageusement au moins une rainure.
  • En d'autres termes, les rainures sont délimitées par des plaques empilées. Ainsi la profondeur et la largeur des rainures sont obtenues séparément, ne se pose alors pas les limitations de rapport profondeur sur largeur qui se posent par exemple dans le cas de la réalisation par extrusion ou gravure chimique. Chaque face de la rainure dans la direction de l'empilement est définie par une plaque différente de la plaque définissant le fond de la rainure dans la direction du plan.
  • La présente invention a alors pour objet un caloduc à pompage capillaire comprenant une première extrémité destinée à être échauffée et une deuxième extrémité destinée à être refroidie, et une enceinte étanche s'étendant entre la première extrémité et la deuxième extrémité, l'enceinte comprenant un empilement de plaques, ledit empilement comportant deux plaques de fermeture, et des plaques intercalaires entre les plaques de fermeture, chaque plaque intercalaire comportant au moins une ouverture dont les bords délimitent en partie un canal. Les ouvertures d'au moins trois plaques intercalaires sont dimensionnées de sorte qu'elles délimitent au moins une rainure s'étendant entre la première extrémité et la deuxième extrémité du caloduc, ladite rainure présentant une largeur dans une direction de l'empilement inférieure ou égale à la profondeur dans la direction du plan des plaques.
  • Le rapport entre la profondeur et la largeur de la rainure est avantageusement compris entre 1 et 80.
  • Chaque plaque intercalaire peut comporter p ouvertures de sorte que l'empilement des plaques délimite p canaux.
  • Dans un exemple de réalisation, parmi les trois plaques intercalaires, l'une est disposée entre les deux autres plaques intercalaires et est en contact mécanique avec les deux autres plaques intercalaires.
  • Au moins un bord de l'ouverture de la plaque intercalaire disposée entre les deux autres plaques intercalaires peut former le fond d'au moins une rainure, et les bords des ouvertures des deux autres plaques intercalaires délimitant la rainure sont ondulées ou en dent de scie.
  • Le canal peut comporter deux faces latérales, lesdites trois plaques intercalaires délimitant une rainure dans chaque face latérale.
  • Les plaques intercalaires peuvent comporter n premières plaques intercalaires et n + 1 deuxièmes plaques intercalaires, les n premières plaques intercalaires comportant chacune au moins une ouverture de largeur L1, les n + 1 deuxièmes plaques intercalaires comportant chacune au moins une ouverture de largeur L2, la largeur L1 étant supérieure à la largeur L2, et chaque première plaque intercalaire étant reçue entre deux deuxièmes plaque intercalaires, chaque paire de premières plaques intercalaires successives définissant avec un deuxième plaque intercalaire disposée entre les premières plaques intercalaires de ladite paire deux rainures en regard.
  • Le caloduc à pompage capillaire peut comporter des moyens d'échange thermique au niveau de la première extrémité et/ou deuxième extrémité. Les moyens d'échange thermique au niveau de la deuxième extrémité peuvent comporter une ou plusieurs ailettes en contact thermique avec au moins une des plaques de fermeture.
  • Les moyens d'échange thermique peuvent comporter un circuit fluidique en contact thermique avec au moins une des plaques d'extrémité, ledit circuit étant formé par une plaque structurée de sorte à délimiter des canaux, lesdits canaux étant fermés par ladite plaque de fermeture et une plaque de fermeture supplémentaire, les moyens d'échange thermique comportant également des moyens pour alimenter en fluide caloporteur ledit circuit fluidique.
  • Au moins l'une des plaques d'extrémité présente une surface supérieure à celle des plaques intermédiaire dans une direction transversale à l'empilement de sorte à former des diffuseurs thermiques.
  • La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un caloduc à pompage capillaire comportant, à partir de plaques de dimensions extérieures données :
    • réalisation d'au moins une ouverture dans chacune des plaques,
    • empilement desdites plaques de sorte que les ouvertures délimitent un canal et au moins trois plaques intercalaires délimitent au moins une rainure s'étendant entre la première extrémité et la deuxième extrémité,
    • mise en place aux extrémités de l'empilement dans la direction de l'empilement de plaques de fermeture,
    • solidarisation desdites plaques de sorte à délimiter une enceinte étanche,
    • remplissage partiel du canal avec un fluide sous forme liquide et fermeture étanche du canal.
  • Par exemple, les plaques comportent à coeur un alliage d'aluminium et sur ses faces extérieures un alliage d'aluminium eutectique à point de fusion inférieur à celui de l'alliage d'aluminium à coeur et dans lequel la solidarisation est obtenue par brasure eutectique.
  • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:
    • la figure 1A est une vue de côté d'un exemple de réalisation d'un caloduc à pompage capillaire,
    • la figure 1B est une vue en coupe transversale du caloduc de la figure 1A le long du plan A-A,
    • la figure 2 est une vue éclatée du caloduc des figures 1A et 1B,
    • la figure 3A est une représentation schématique des ménisques dans le caloduc des figures 1A, 1B et 2au niveau de l'évaporateur,
    • la figure 3B est une représentation schématique des ménisques dans le caloduc des figures 1A, 1B et 2 au niveau du condenseur,
    • la figure 4 est une vue en coupe transversale d'une variante du caloduc des figures 1A et 1B,
    • la figure 5 est une vue en coupe transversale d'un autre exemple de réalisation d'un caloduc comprenant plusieurs canaux,
    • la figure 6 est une vue éclatée du caloduc de la figure 5,
    • les figures 7A et 7B sont des vues de dessus de plaques intercalaires d'un autre exemple de réalisation d'un caloduc,
    • la figure 8 est une vue éclatée du caloduc comportant les plaques intercalaires des figures 7A et 7B,
    • la figure 9 est une vue de détail d'une rainure du caloduc de la figure 8,
    • la figure 10 est une vue de détail d'une rainure selon une variante de la figure 8,
    • la figure 11 est une vue d'une extrémité d'un caloduc selon un autre exemple de réalisation,
    • la figure 12 est une vue de dessus d'une plaque intercalaire selon un autre exemple de réalisation,
    • la figure 13 est une vue en coupe transversale d'un caloduc selon un autre exemple de réalisation comportant des diffuseurs thermiques,
    • la figure 14 est une vue en perspective d'un autre exemple de réalisation d'un caloduc selon l'invention réparti dans plusieurs plans,
    • les figures 15A à 15F sont des vues en perspective d'exemples d'ailettes applicables à un caloduc selon l'invention,
    • la figure 16 est une vue éclatée d'un caloduc selon un exemple de réalisation comportant un échangeur thermique au niveau de l'absorbeur,
    • la figure 17A est une vue en coupe transversale d'un caloduc de l'état de la technique,
    • la figure 17B est une vue de dessus d'un empilement de plaques intercalaires d'un caloduc selon un exemple de la présente invention,
    • la figure 18 est une graphique représentant les variations de limite capillaire Lc en Watt en fonction de l'inclinaison du caloduc dans le cas du caloduc de la figure 17A(II) et du caloduc de la figure 17B(I) utilisant l'eau comme fluide de travail, ceci pour une température de 60°C,
    • la figure 19 est une graphique représentant la puissance maximale en Watt en fonction de la température du caloduc dans le cas du caloduc de la figure 17A (II') et du caloduc de la figure 17B (I') utilisant l'acétone comme fluide de travail, ceci à angle d'inclinaison nulle par rapport à l'horizontale.
    • la figure 20 est une vue en coupe transversale d'un autre exemple de réalisation d'un caloduc selon l'invention,
  • Les représentations ne sont pas nécessairement à l'échelle et les proportions entre une vue en coupe et une vue de côté par exemple ne sont pas nécessairement respectées.
  • EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
  • Sur la figure 1A, on peut voir un caloduc C1 à pompage capillaire vu de l'extérieur s'étendant selon un axe longitudinal X.
  • Dans la présente demande, la direction longitudinale est celle donnée par l'axe X.
  • Le caloduc C1 comporte une enceinte hermétique 2 s'étendant selon l'axe longitudinal X et comportant une première extrémité longitudinale 4 et une deuxième extrémité longitudinale 6. La première extrémité 4 est par exemple destinée à être disposée au niveau d'une source de chaleur SC. La première extrémité est désignée évaporateur, et la deuxième extrémité 4 est par exemple destinée à être disposée au niveau d'une source froide SF. La deuxième extrémité est désignée condenseur.
  • La source de chaleur est par exemple un composant électrique ou électronique, un stockage de chaud, un réacteur chimique exothermique. Les puits de chaleur des ailettes en convection forcée, des plaques froides en écoulement mono ou diphasique, un stockage de froid, une réaction chimique endothermique...
  • Le caloduc a avantageusement une forme telle qu'il s'étend dans le plan XY, de sorte à présenter des faces 7.1, 7.2, parallèles au plan XY, ayant de grande surface favorisant les échanges de chaleur avec la source de chaleur et la source froide.
  • Le caloduc est en contact avec la source de chaleur et la source froide sur une ou ses deux faces 7.1, 7.2 de grande surface. Les faces 7.1, 7.2 de plus grande surface sont dans l'exemple représenté orthogonales à la direction Z.
  • Sur la figure 1B, on peut voir une vue en coupe transversale du caloduc C1.
  • Le caloduc C1 comporte un canal 8 s'étendant le long de l'axe longitudinal X et des rainures 10 s'étendant le long de l'axe longitudinal X de part et d'autre du canal 8 dans une direction Y orthogonale à l'axe X.
  • Les rainures 10 sont formées dans les parois latérales 8.1, 8.2 du canal 8. Les parois latérales sont considérées par rapport à la direction longitudinale X et sont situées dans des plans sécants aux plans des faces 7.1, 7.2 de plus grande surface du caloduc.
  • L'enceinte du caloduc comporte un empilement E de plaques délimitant le canal 8 et les rainures 10.
  • L'empilement E comporte deux plaques d'extrémité 12 situées aux extrémités de l'empilement dans une direction Z orthogonale aux directions X et Y. Les plaques d'extrémité 12 sont destinées à fermer le canal 8 et sont également désignées « plaques de fermeture ».
  • L'empilement comporte des plaques intercalaires 14, 16 disposées entre les plaques d'extrémité 12. Les plaques intercalaires comportent des premières plaques intercalaires 14 et des deuxièmes plaques intercalaires 16, les deuxièmes plaques intercalaires 16 alternent avec les premières plaques intercalaires 14.
  • Dans cet exemple, toutes les plaques 12, 14, 16 présentent les mêmes dimensions extérieures, l'empilement est alors de forme parallélépipédique rectangle.
  • Chaque première plaque intercalaire 14 a une épaisseur e1, et comporte une ouverture 18 s'étendant dans la direction X et dans la direction Y. Dans cet exemple, l'ouverture 18 a une forme rectangulaire présentant une dimension I1 dans la direction X et une dimension L1 dans la direction Y.
  • Chaque deuxième plaque intercalaire 16 a une épaisseur e2 et comporte une ouverture 20 s'étendant dans la direction X et dans la direction Y. Dans cet exemple, l'ouverture 20 a une forme rectangulaire et présente une dimension I2 dans la direction X et une dimension L2 dans la direction Y.
  • Les dimensions I1 et I2 sont égales ou proches et correspondent à la longueur du canal 8.
  • La dimension L1 est inférieure à la dimension L2.
  • Du fait des dimensions L1 et L2 différentes, l'empilement de deux premières plaques de part et d'autre d'une deuxième plaque délimitent deux rainures 10 comme cela est visible sur les figure 1B et 3.
  • Chaque première plaque participe à délimiter des rainures 10.
  • Les rainures ont une épaisseur égale à l'épaisseur e2 de la deuxième plaque 16 et une profondeur égale à (L1-L2)/2, en considérant que les rainures 10 de part et d'autre de l'axe X ont la même profondeur et que les ouvertures sont centrées par rapport aux bords des plaques.
  • Ainsi il est aisé de réaliser des rainures dont le rapport profondeur sur épaisseur est grand, voire très grand. En effet, la profondeur et l'épaisseur étant fixée séparément lors d'étapes différentes, il n'y a pas de limitation due au procédé de fabrication contrairement à l'extrusion et à la gravure.
  • Il est possible de réaliser des deuxièmes plaques très fines et/ou des ouvertures entre les première et deuxième plaques de dimensions L1, L2 très différentes.
  • Par exemple, les ouvertures sont réalisées par poinçonnage, découpage, par exemple au laser ou au jet d'eau.
  • En réalisant des rainures fines et profondes par rapport à leur épaisseur, on obtient une pression capillaire élevée et une perte de pression faible, donc un pompage capillaire amélioré par rapport aux caloducs à pompage capillaire de l'état de la technique. Le liquide est remonté plus facilement du condenseur vers l'évaporateur, indépendamment de la gravité.
  • La pression capillaire est la différence de pression entre la phase vapeur et la phase liquide au voisinage du ménisque.
  • Sur la figure 3A, on peut voir les ménisques M représentées dans les rainures 10 au niveau de l'évaporateur, et sur la figure 3B au niveau du condenseur. La pression capillaire est inversement proportionnelle au rayon de courbure du ménisque. Ce rayon de courbure est très grand au condenseur, et est sensiblement plus faible à l'évaporateur.
  • En augmentant la profondeur des rainures, on augmente la section de passage du liquide dans les rainures, ce qui réduit les pertes de charge et repousse la limite capillaire.
  • En outre, du fait de la réalisation des rainures par empilement de plaques le fond des rainures présente des angles sensiblement droits ce qui est favorable à l'action capillaire, à l'inverse des coins arrondis des rainures obtenues par extrusion ou gravure par exemple.
  • Le caloduc est rempli d'un fluide diphasique, il peut s'agir d'un fluide bien connu de l'homme du métier. Celui-ci est choisi par exemple en fonction de la gamme de température de fonctionnement et de stockage du dispositif, en fonction des contraintes dues à la pression, l'inflammabilité, la toxicité du fluide et de la compatibilité chimique entre le fluide et le matériau formant le caloduc.
  • A titre d'exemple, pour un caloduc réalisé en alliage d'aluminium assemblé par brasure eutectique, on peut utiliser comme fluide l'ammoniac, l'acétone, le méthanol, le n-heptane, le R134a ou autres fluides frigorigènes fluorés.
  • Le fonctionnement du caloduc va maintenant être expliqué.
  • Le liquide est évaporé à l'évaporateur et la vapeur générée circule dans le canal central vers le condenseur. Au condenseur, la vapeur se condense. Le liquide circule dans les rainures vers l'évaporateur. La courbure du ménisque à l'évaporateur provoque une différence de pression capillaire entre l'évaporateur et le condenseur, favorisant l'écoulement liquide vers l'évaporateur et l'écoulement vapeur vers le condenseur.
  • En réalisant des rainures fines et profondes, le rayon de courbure du ménisque est réduit à l'évaporateur, ce qui augmente la pression capillaire et donc le pompage du liquide vers l'évaporateur.
  • Par ailleurs, la technique de fabrication par empilement de plaques permet d'obtenir un rapport profondeur/largeur des rainures élevé, ce qui permet d'augmenter la section de passage liquide des rainures et donc de diminuer la perte de pression liquide.
  • De manière avantageuse, la largeur des rainures est comprise entre 0,05 mm et 6 mm, et peut atteindre 0,05 mm. Il est à noter que dans le cas de caloduc de l'état de la technique obtenus par extrusion, la largeur des rainures est au minimum de l'ordre de 0,2 mm pour les petits diamètres de caloduc, par exemple de diamètre intérieur inférieur à 10 mm, et environ de l'ordre de 0,5 mm pour les plus gros diamètres
  • De manière avantageuse, la profondeur des rainures est comprise entre 1 mm et 4 mm, et est très avantageusement égale à 3 mm.
  • Le rapport profondeur/largeur des rainures peut atteindre au moins 20, voire plus avec des rainures de 0,05 mm de largeur. Dans le cas de caloduc de l'état de la technique obtenus par extrusion, le rapport profondeur/largeur est de l'ordre de 1.
  • La distance entre l'évaporateur et le condenseur peut varier de quelques centimètres à quelques mètres.
  • Le caloduc selon l'invention peut être réalisé en différents matériaux tels que, par exemple un alliage d'aluminium, en cuivre, en acier inoxydable. Le ou les matériaux utilisés pour la fabrication du caloduc sont choisis en fonction des contraintes de masse, d'assemblage, de la robustesse requise...
  • La technique d'assemblage des tôles dépend du matériau.
  • Par exemple, dans le cas de plaques en alliage d'aluminium, on peut utiliser la brasure sous vide avec tôles cladées, la brasure au bain de sel, la brasure sous gaz inerte, le soudage par ultrasons, la soudure par friction-malaxage (Friction Stir Welding), le collage...
  • Dans le cas de plaque en cuivre, en acier inoxydable ou en superalliage, on peut utiliser la soudure diffusion, la brasure diffusion, le collage...
  • Dans le cas de plaques en aciers inoxydables, super alliages, on peut utiliser la soudure diffusion, la brasure diffusion, le collage...
  • A titre d'exemple, l'assemblage de plaques en alliage d'aluminium est obtenu par brasure eutectique. On utilise de manière connue des plaques en alliage d'aluminium dont une ou les deux faces est ou sont revêtue(s) d'un alliage aluminium à plus bas point de fusion.
  • Par exemple, on utilise une tôle en alliage de la série AA3xxxx à coeur, avec un revêtement avec un alliage eutectique de la série AA4xxxx comprenant du silicium à plus bas point de fusion.
  • Le revêtement se fait typiquement par une technique de roll-bond.
  • L'épaisseur totale des plaques est typiquement de 0,05 mm à 5 mm, avec un revêtement typiquement de 5% à 10% de l'épaisseur totale.
  • En pressant à chaud deux plaques d'aluminium ainsi revêtues à une température supérieure à la température de fusion de l'eutectique, mais inférieure à la température de l'alliage à coeur, l'alliage eutectique en surface fond et forme un alliage de brasure d'assemblage étanche entre les deux plaques.
  • Sur la figure 4, on peut voir un exemple de réalisation d'un caloduc C2 comportant deux premières plaques intercalaires 16 et une deuxième plaque intercalaire 14.
  • Sur les figures 5 et 6, on peut voir un caloduc C3 selon un autre exemple de réalisation. Le caloduc C3 comporte plusieurs canaux 108 disposés les uns à côtés des autres.
  • Comme cela est particulièrement visible sur la figure 6, le caloduc C3 comporte deux plaques de fermeture 112, une pluralité de plaques empilées, les plaques intercalaires 114 et 116 comportent autant d'ouvertures que de canaux.
  • Dans l'exemple représenté, toutes les deuxièmes plaques intercalaires 116 comportent les ouvertures les plus larges de sorte que les bords latéraux des ouvertures forment le fond des rainures et toutes les premières plaques intercalaires 114 comportent les ouvertures les plus étroites, de sorte que les faces des premières plaques forment les flancs latéraux des rainures.
  • En variante, des plaques intercalaires 114 pourraient comporter des ouvertures les plus larges et des ouvertures les plus étroites ainsi que les plaques 116.
  • Le caloduc C3 permet d'augmenter le flux de chaleur transmis et/ou la surface d'échange.
  • En variante, les différents canaux pourraient ne pas comporter le même nombre de rainures et/ou la même distribution des rainures.
  • Dans les exemples décrits ci-dessus, les bords des ouvertures définissant les rainures sont droits et parallèles entre eux.
  • Sur la figure 7A, on peut voir des premières plaques intercalaires 214 comportant des ouvertures 220 comprenant des bords latéraux 220.1 ondulés, et sur la figure 7B on peut voir des deuxièmes plaques intercalaires 216 comportant des ouvertures 218 à bords latéraux droits 218.1.
  • Sur la figure 8, on peut voir une vue éclatée du caloduc C4 avec plusieurs deuxièmes plaques intercalaires 216 alternant avec des premières plaques intercalaires 214 entre deux plaques d'extrémité 212.
  • Sur la figure 9, on peut voir une vue de détail d'un canal obtenu et d'une rainure 210. La rainure est ondulée dans le plan XY.
  • Cette forme permet d'augmenter la longueur de la ligne triple, notamment dans la zone évaporateur, ce qui permet d'augmenter le coefficient d'échange en évaporation.
  • Au niveau du condenseur, la forme ondulée permet d'obtenir des parois non mouillées par le film de condensation aux sommets des ondulations. Cela permet également d'augmenter le coefficient d'échange en condensation en minimisant la résistance d'interface du film de condensation.
  • Dans cet exemple, le fond des rainures est droit. En variante, il peut également être ondulé.
  • Sur la figure 10, on peut voir une variante, dans lequel les bords 320.1 des ouvertures sont en dent de scie. Les rainures 310 sont également en dent de scie dans le plan XY. Comme pour les rainures de forme ondulée, les coefficients d'échange en condensation et en évaporation sont augmentés.
  • Il sera compris que toute autre forme est envisageable. Au vu du mode de réalisation des ouvertures, une grande liberté dans la forme des bords existe.
  • Il peut même être envisagé de réaliser des rainures droites dans une face latérale du canal et des rainures ondulées dans l'autre face en regard.
  • Selon un autre exemple, le canal présente une section autre que rectangulaire, elle est par exemple trapézoïdale.
  • Dans les exemples décrits ci-dessus toutes les plaques ont les mêmes dimensions, il en résulte que le caloduc a une forme parallélépipédique. Selon un autre exemple, la surface des plaques peut varier. On peut envisager que la surface des plaques diminue dans la direction Z, comme cela est représenté sur la figure 11.
  • On peut également envisager que la largeur des plaques intercalaires soit variable le long de la direction X, par exemple pour réaliser un condenseur de plus grande surface que l'évaporateur comme cela est schématisé sur la figure 12 représentant une première plaque intercalaire 414. Les ouvertures sont conformées de sorte à couvrir toute la surface, elles ne sont pas parallèles.
  • Dans un exemple, seule une des faces latérales du canal comporte des rainures. On peut envisager en outre un nombre de rainures différent entre les deux faces latérales. Dans un autre exemple de réalisation, les rainures 610 dans une face latérale sont décalées par rapport aux rainures dans l'autre face latérale comme cela est schématisé sur la figure 20. Cet exemple de réalisation permet d'utiliser le même type de tôle pour former toutes les plaques intercalaires, pour cela il suffit de retourner alternativement chaque plaque tête-bêche.
  • Selon un autre exemple, les rainures n'ont pas la même profondeur dans un même canal et/ou d'un canal à l'autre.
  • Sur la figure 13 on peut voir un autre exemple de caloduc C5. Celui-ci est proche du caloduc C3, il comporte en outre des diffuseurs thermiques ou « spreader » en terminologie anglo-saxonne s'étendant parallèlement au plan XY. Dans cet exemple les diffuseurs thermiques sont d'un seul tenant avec les plaques de fermeture et s'étendent symétriquement de part et d'autre du canal. Ces diffuseurs ont pour effet d'étaler le flux de chaleur sur une zone plus large et d'augmenter l'efficacité globale du système thermique.
  • En variante, une seule des deux plaques de fermeture comporte des diffuseurs et/ou des diffuseurs ne sont prévus que d'un côté du plan XZ et/ou les diffuseurs présentent des surfaces différentes de part et d'autre du plan XZ. Il peut être envisagé que la taille du ou des diffuseurs se réduise par exemple dans la direction X.
  • Sur la figure 14, on peut voir un autre exemple de réalisation dans lequel le caloduc C6 n'a pas une forme droite, il comporte deux portions droites D1 et D2 orientées à angle droit l'une par rapport à l'autre. En outre, les portions D1 et D2 s'étendent dans des plans orthogonaux. La portion D1 s'étend dans le plan XY et la portion D2 s'étend dans le plan XZ. L'orientation des portions D1 et D2 l'une par rapport à l'autre est par exemple obtenue par pliage après empilage des plaques et leur solidarisation. P1 désigne la pliure.
  • Le caloduc C6 peut être conformé à l'application. Le caloduc peut comporter plusieurs pliures.
  • Dans cet exemple, la portion D1 forme l'évaporateur et la portion D2 forme le condenseur et est muni sur ses surfaces extérieures d'ailettes A1 formant un radiateur permettant d'évacuer la chaleur. Le radiateur est par exemple en convection naturelle ou en convection forcée. Dans cet exemple, les ailettes sont prévues sur les deux faces de grande surface du condenseur. En variante, des ailettes sur une seule surface pourraient être envisagées. Sur la figure 14, on peut voir un queusot Q de remplissage du caloduc C6.
  • Dans cet exemple, les ailettes comportent des plaques planes perpendiculaires aux faces du condenseur. Toute autre forme est envisageable.
  • Il sera compris qu'un caloduc tel que celui de la figure 1A pourrait être courbé au lieu d'être rectiligne sans sortir du cadre de la présente invention.
  • Sur les figures 15A à 15F sont représentées des ailettes plissées selon d'autres exemples de réalisation applicables à la présente invention.
  • Selon d'autres exemples, les ailettes sont des ailettes extrudées, des ailettes skivées, des ailettes picots, des ailettes moulées, ailettes fixées par moletage, ailettes réalisées par impression 3D, ou tout autre ailette obtenue par une technique de réalisation d'extension de surface bien connue de l'homme du métier.
  • En variante, un circuit de refroidissement est intégré directement dans le caloduc C7 comme cela est représenté sur la figure 16.
  • Le caloduc comporte un circuit de refroidissement 524 dans lequel circule un fluide caloporteur. Le circuit de refroidissement est directement en contact avec le condenseur. Dans l'exemple représenté, le circuit de refroidissement 524 est formé par une plaque supplémentaire 526, dans laquelle sont réalisées des rainures 528 définissant les parois latérales du circuit, et la plaque de fermeture 512 et une plaque de fermeture supplémentaire 530 forment les parois d'extrémité du circuit de refroidissement. La plaque de fermeture supplémentaire 530 comporte deux orifices 532 débouchant chacun à une extrémité du circuit et permettant la circulation du fluide caloporteur.
  • Le fluide caloporteur peut être un liquide ou un gaz.
  • Selon un autre exemple, il s'agit d'un circuit diphasique.
  • Un tel circuit peut être également utilisé pour former la source de chaleur au niveau de l'évaporateur.
  • Nous allons maintenant comparer les performances d'un caloduc selon l'invention et un caloduc à pompage capillaire de l'état de la technique.
  • On considère un caloduc de l'état de la technique cylindrique obtenu par extrusion et comportant des rainures longitudinales 610, tel que représenté sur la figure 17A.
  • Chaque caloduc présente une longueur de l'évaporateur de 50 mm, une longueur de la zone adiabatique de 100 mm, une longueur du condenseur de 110 mm
  • Chaque caloduc est réalisé en cuivre. La température dans la zone adiabatique du caloduc est 60°C ; i.e. la température moyenne vapeur du caloduc.
  • Le caloduc de l'état de la technique présente les caractéristiques suivantes :
    • Diamètre intérieur Di : 10 mm
    • Diamètre extérieur De : 12 mm
    • Largeur de rainure Le: 0,5 mm
    • Profondeur de rainure Pe : 0,5 mm
    • Nombre de rainures : 44
  • Le caloduc selon l'invention présente les caractéristiques suivantes (figure 17B) :
    • Largeur extérieure Le: 12 mm
    • Hauteur extérieure He: 12 mm
    • Largeur de rainures L : 0,5 mm
    • Profondeur rainures P: 2 mm
    • Nombre de rainures : 15.
  • Sur la figure 18, on peut voir la variation de la limite capillaire Lc en Watt en fonction de l'angle d'inclinaison α du caloduc en °, i.e. l'inclinaison de l'axe X par rapport à la direction horizontale. La courbe I correspond à l'invention et la courbe II au caloduc selon l'état de la technique. Les valeurs d'inclinaison négatives correspondent à des positions du caloduc dans lesquelles l'évaporateur est au-dessus du condenseur. Le fluide est de l'eau.
  • On constate que le caloduc selon l'invention est plus performant que le caloduc de l'état de la technique, quelle que soit l'inclinaison du caloduc.
  • Sur la figure 19, on peut voir puissance maximale P en Watt en fonction de la température T en °C. La courbe I' correspond à l'invention et la courbe II' au caloduc selon l'état de la technique. Le fluide est de l'acétone. L'angle d'inclinaison par rapport à l'horizontal est nul.
  • On constate que le caloduc selon l'invention est plus performant que le caloduc de l'état de la technique, quelle que soit la température du caloduc.
  • Il sera compris que les différents exemples et variantes de réalisation ne sont pas exclusifs les uns des autres et peuvent être combinés tout ou en partie.
  • Un exemple de procédé de réalisation va maintenant être décrit.
  • Des plaques en un matériau donné sont découpées suivant la forme extérieure souhaitée pour le caloduc.
  • Lors d'une étape suivante, les ouvertures sont réalisées dans toutes les plaques intercalaires. Les ouvertures sont réalisées par exemple par poinçonnage, découpe laser, par découpe au jet d'eau ou par gravure chimique traversante...des ouvertures de dimensions différentes son réalisées dans les différentes plaques de sorte qu'une fois assemblées des rainures sont formées.
  • Les plaques sont ensuite empilées de sorte à délimiter les rainures, des plaques de fermeture sont disposées aux extrémités de l'empilement pour fermer le ou les canaux. Eventuellement des canaux de refroidissement sont prévus sur un ou les deux faces de l'empilement.
  • Les plaques sont assemblées, la technique d'assemblage étant choisie en fonction du ou des matériaux des plaques, par exemple soudage, brasage, collage...l'assemblage des plaques est étanche.
  • Le caloduc est ensuite rempli. Un orifice de remplissage a été ménagé dans une des plaques d'ouverture lors de la fabrication des plaques. Le fluide est choisi en fonction des conditions de fonctionnement du caloduc (température de fonctionnement...) et de la compatibilité avec le ou les matériaux du caloduc.

Claims (12)

  1. Caloduc à pompage capillaire comprenant un canal et au moins une rainure débouchant dans le canal, ledit caloduc comprenant une première extrémité (4) destinée à être échauffée et une deuxième extrémité (6) destinée à être refroidie, et une enceinte étanche (2) s'étendant entre la première extrémité (4) et la deuxième extrémité (6), l'enceinte comprenant un empilement de plaques, ledit empilement comportant deux plaques de fermeture (12), et des plaques intercalaires (14, 16, 216, 214) entre les plaques de fermeture (12), chaque plaque intercalaire (14, 16, 216, 214) comportant au moins une ouverture dont les bords délimitent en partie un canal (8), et dans lequel les ouvertures d'au moins trois plaques intercalaires (14, 16, 216, 214) sont dimensionnées de sorte qu'elles délimitent au moins une rainure (10, 210) s'étendant entre la première extrémité (4) et la deuxième extrémité (6) du caloduc, ladite rainure (10, 210) présentant une largeur dans une direction de l'empilement inférieure ou égale à la profondeur dans la direction du plan des plaques (14, 16, 216, 214), dans lequel parmi les trois plaques intercalaires (14, 16), l'une est disposée entre les deux autres plaques intercalaires et est en contact mécanique avec les deux autres plaques intercalaires et dans lequel au moins un bord de l'ouverture de la plaque intercalaire (216) disposée entre les deux autres plaques intercalaires (214) forme le fond d'au moins une rainure (210) dans la direction du plan, chaque face de la rainure dans la direction de l'empilement étant définie par une plaque intercalaire différente de la plaque intercalaire définissant le fond de la rainure dans la direction du plan.
  2. Caloduc à pompage capillaire selon la revendication 1, dans lequel le rapport entre la profondeur et la largeur de la rainure (10) est compris entre 1 et 80.
  3. Caloduc à pompage capillaire selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque plaque intercalaire comporte p ouvertures de sorte que l'empilement des plaques délimite p canaux.
  4. Caloduc de pompage capillaire selon l'une des revendication 1 à 3, dans lequel les bords (220.1) des ouvertures des deux autres plaques intercalaires (214) délimitant la rainure (210) sont ondulées ou en dent de scie.
  5. Caloduc à pompage capillaire selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le canal (10) comporte deux faces latérales (8.1, 8.2), lesdites trois plaques intercalaires délimitant une rainure (10) dans chaque face latérale (8.1, 8.2).
  6. Caloduc à pompage capillaire selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les plaques intercalaires comportent n premières plaques intercalaires (14) et n + 1 deuxièmes plaques intercalaires (16), les n premières plaques intercalaires (14) comportant chacune au moins une ouverture de largeur L1, les n + 1 deuxièmes plaques intercalaires -16) comportant chacune au moins une ouverture de largeur L2, la largeur L1 étant supérieure à la largeur L2, et chaque première plaque intercalaire (14) étant reçue entre deux deuxièmes plaque intercalaires (16), chaque paire de premières plaques intercalaires (16) successives définissant avec un deuxième plaque intercalaire(16) disposée entre les premières plaques intercalaires (14) de ladite paire deux rainures (10) en regard.
  7. Caloduc à pompage capillaire selon l'une des revendications 1 à 6, comportant des moyens d'échange thermique au niveau de la première extrémité et/ou deuxième extrémité.
  8. Caloduc à pompage capillaire selon la revendication 7, dans lequel les moyens d'échange thermique au niveau de la deuxième extrémité comportent une ou plusieurs ailettes (A1) en contact thermique avec au moins une des plaques de fermeture.
  9. Caloduc à pompage capillaire, selon la revendication 7 ou 8, dans lequel les moyens d'échange thermique (524) comportent un circuit fluidique en contact thermique avec au moins une des plaques d'extrémité, ledit circuit étant formé par une plaque structurée (526) de sorte à délimiter des canaux (528), lesdits canaux (528) étant fermés par ladite plaque de fermeture et une plaque de fermeture supplémentaire (530), les moyens d'échange thermique comportant également des moyens (532) pour alimenter en fluide caloporteur ledit circuit fluidique.
  10. Caloduc à pompage capillaire selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel au moins l'une des plaques d'extrémité présente une surface supérieure à celle des plaques intermédiaire dans une direction transversale à l'empilement de sorte à former des diffuseurs thermiques (120).
  11. Procédé de fabrication d'un caloduc à pompage capillaire comprenant un canal et au moins une rainure débouchant dans le canal, ledit procédé comportant, à partir de plaques de dimensions extérieures données :
    - Réalisation d'au moins une ouverture dans chacune des plaques,
    Empilement desdites plaques de sorte que les ouvertures délimitent un canal et au moins trois plaques intercalaires délimitent au moins une rainure s'étendant entre la première extrémité et la deuxième extrémité, l'empilement étant tel que, parmi les trois plaques intercalaires (14, 16), l'une est disposée entre les deux autres plaques intercalaires et est en contact mécanique avec les deux autres plaques intercalaires et qu'au moins un bord de l'ouverture de la plaque intercalaire (216) disposée entre les deux autres plaques intercalaires (214) forme le fond d'au moins une rainure (210) dans la direction du plan, chaque face de la rainure dans la direction de l'empilement étant définie par une plaque intercalaire différente de la plaque intercalaire définissant le fond de la rainure dans la direction du plan.
    - Mise en place aux extrémités de l'empilement dans la direction de l'empilement de plaques de fermeture.
    - Solidarisation desdites plaques de sorte à délimiter une enceinte étanche,
    - Remplissage partiel du canal avec un fluide sous forme liquide et fermeture étanche du canal.
  12. Procédé de fabrication selon la revendication 11, dans lequel les plaques comportent à coeur un alliage d'aluminium et sur ses faces extérieures un alliage d'aluminium eutectique à point de fusion inférieur à celui de l'alliage d'aluminium à coeur et dans lequel la solidarisation est obtenue par brasure eutectique.
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