EP4325156A1 - Heat pipe of the capillary pumping type, with re-entrant grooves including at least one substrate porous at the evaporator - Google Patents

Heat pipe of the capillary pumping type, with re-entrant grooves including at least one substrate porous at the evaporator Download PDF

Info

Publication number
EP4325156A1
EP4325156A1 EP23191681.8A EP23191681A EP4325156A1 EP 4325156 A1 EP4325156 A1 EP 4325156A1 EP 23191681 A EP23191681 A EP 23191681A EP 4325156 A1 EP4325156 A1 EP 4325156A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat pipe
channel
liquid
evaporator
condenser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23191681.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Mathieu Mariotto
Bénédicte CHAMPEL
Jean-Antoine Gruss
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.)
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4325156A1 publication Critical patent/EP4325156A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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
    • F28D15/046Heat-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 characterised by the material or the construction of the capillary structure
    • 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
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/08Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal
    • F28F21/081Heat exchange elements made from metals or metal alloys
    • F28F21/084Heat exchange elements made from metals or metal alloys from aluminium or aluminium alloys
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/025Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/025Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements
    • F28F3/027Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements with openings, e.g. louvered corrugated fins; Assemblies of corrugated strips
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/08Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning
    • F28F3/086Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning having one or more openings therein forming tubular heat-exchange passages
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2275/00Fastening; Joining
    • F28F2275/04Fastening; Joining by brazing

Definitions

  • the present invention relates to a capillary pumping type heat pipe with reentrant grooves.
  • the present invention aims to improve capillary pumping, while ensuring a high surface heat flux of such a heat pipe.
  • a heat pipe is a thermal device allowing a quantity of energy to be transferred from a hot source to a cold source, a certain length apart.
  • a heat pipe comprises a hermetically sealed enclosure, a working fluid and a capillary network. During manufacturing, all the air present in the heat pipe tube is evacuated and a quantity of pure liquid is introduced to saturate the capillary network. Once the enclosure is closed and subjected to a hot source, an equilibrium is established between the liquid phase and the vapor phase.
  • part of the liquid phase vaporizes and absorbs the heat flow in latent form by inducing a slight overpressure which causes the movement of the steam towards an area at the other longitudinal end, designated the condenser where the cold source is applied.
  • the condenser At the condenser, the vapor condenses and returns to the liquid phase.
  • the condensed fluid (condensate) circulates in the capillary network and returns to the evaporator to repeat a cycle, under the effect of capillary forces, when the heat pipe is not subject to gravity.
  • the return of the liquid fluid from the condenser to the evaporator is obtained by capillary pumping.
  • the engine of the heat pipe is the capillary pumping of the fluid which takes place at the level of the liquid-vapor interface zones specifically configured so that a meniscus forms, resulting from the angle of contact between the fluid and the metal constituting the heat pipe (itself depending on the surface tension of the fluid, and the tensions solid/liquid and solid/vapor interfacials).
  • the heat pipes affected by this absence of gravity are for example those used in space operating conditions, such as for the thermalization of satellite telecommunications systems.
  • Grooved heat pipes work on the principle of capillary pumping. They feature a tube, in which the inner surface has axial/longitudinal [1] or slightly spiral-shaped grooves. Grooved heat pipes comprise a vapor core and a peripheral capillary network in which the liquid phase circulates. Due to a variation in curvature of the liquid-vapor 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 grooved heat pipes can transport is generally fixed by the capillary limit, the driving term of which is the capillary pressure, and the term essentially limiting the loss of liquid pressure in the grooves and, to a lesser extent, the pressure losses of steam flow.
  • Reentrant groove heat pipes are particular examples of groove heat pipes, in which the grooves have a narrow connection channel relative to the rest of the groove, which allows the capillary pumping effect to be increased while limiting heat losses. charge in the liquid phase.
  • These heat pipes are used mainly in the space sector, for example for thermal regulation in satellites and/or spacecraft.
  • heat pipes are made essentially by extrusion with or without a floating mandrel including the groove pattern. This process makes it possible to carry out, generally in relatively soft metals (aluminum or copper), generally cylindrical tubes with internal longitudinal or slightly spiral grooves inside the tube.
  • These tubes are also used in evaporators and condensers, but can also be used to make heat pipes.
  • the grooves are generally rectangular or trapezoidal and of an aspect ratio limited by the extrusion process.
  • the depth of the grooves can generally go up to 0.2mm with a depth/width aspect ratio of around 1 maximum.
  • Another technique uses mechanical machining, with this technique also the depth to width ratio is not significantly greater than 1. Furthermore, this technique has a relatively high cost price and is not suitable for manufacturing on average and large series.
  • Another technique uses chemical etching. But it also does not allow for a significant depth to width ratio.
  • the operating curve of the heat pipe which allows us to know its maximum transport capacity, is obtained by combining the curves corresponding to the different physical operating limits which ultimately define the operating range of the heat pipe in terms of maximum power that it can to transfer.
  • FIG. 1 illustrates the curve delimiting the operating range for an example of a capillary pumped heat pipe.
  • the portions of curve Qviscous, Qsonic, Qentrainment, Qcapillary, Qboiling, define the viscous, sonic, entrainment, capillary and boiling limits respectively.
  • the capillary driving pressure in a capillary pumped heat pipe, the capillary driving pressure must compensate for the static pressure losses linked to the volume and dynamic forces generated by the flow of the working fluid from the heat pipe (friction between the flows and walls).
  • This capillary driving pressure which corresponds to the difference in capillary pressure between the evaporator and the condenser, is a function of the structure of the heat pipe, and the dynamic pressure losses which are increasing with the mass flow of the working fluid (and with the length of the heat pipe), itself a function of the thermal power imposed on the evaporator: the capillary limit is reached when the capillary driving pressure is equal to the sum of the pressure losses (liquid phase and vapor phase).
  • a heat pipe only works if the capillary driving pressure is greater, in microgravity conditions, than the pressure losses, and therefore below the capillary limit.
  • This limit is generally expressed in W.m: it is inversely proportional to the effective length of the heat pipe, that is to say that for the same design (same cross section over the entire length), the capillary limit, expressed in W, of a 2 meter heat pipe is half that of a 1 meter heat pipe.
  • the ratio of sections between the channel and the groove must not be too high, in order to facilitate the evacuation of steam bubbles which may possibly appear in the channels.
  • the meniscus moves back in the latter, all the more so as the heat flow is high. If the meniscus moves back too much, it can reach the reentrant canal. In this case, the capillary radius at the interface increases and therefore the capillary pressure, driving the heat pipe, decreases; there is then a risk of defusing the heat pipe.
  • the overall thermal resistance of a heat pipe can be evaluated by making a network analogy of independent thermal resistances.
  • Such a network is schematized in figure 2 in which a heat flow Q emitted by a hot source SC must be evacuated by a heat pipe to a cold source SF.
  • the limiting thermal resistance is that of the liquid channels (capillary network), respectively at the evaporator and the condenser (R3, R7).
  • the author of the publication [2] proposed a thermal resistance model with a path through the liquid in the groove parallel to a conductive path in the tooth and then in the evaporation film.
  • the film resistance depends in particular on the length of the triple contact lines between liquid, vapor and solid.
  • the main advantage of an artery heat pipe is to annihilate the maximum flow of liquid particles entrained by the vapor by eliminating the liquid/vapor interfaces in the adiabatic zone of the heat pipe.
  • Such an artery heat pipe 1 is shown in figures 3, 3A And 3B : just like other rectilinear heat pipes, it comprises a sealed enclosure delimited by a wall 10 and extends between a first longitudinal end, intended to be heated by a thermal flow ⁇ E emitted by a hot source, to form, within the enclosure, an evaporator Z E and a second longitudinal end intended to output a thermal flow ⁇ S towards a source cold to form, within the enclosure, a condenser Zc where the vapor V condenses, the sealed enclosure delimiting an adiabatic zone Z A between the evaporator and the condenser.
  • Such an artery heat pipe 1 integrates a liquid channel 11 forming an artery which brings the liquid from the condenser Zc to the evaporator Z E , which is dissociated from the vapor channel 13.
  • a heat pipe there is no liquid-vapor interface except for the evaporator Z E and the condenser Zc. This also makes it possible to reduce the friction forces of the liquid phase.
  • the liquid phase at the evaporator Z E is not directly subjected to the heat flow ⁇ E from the hot source, and this plays a role in moving away from the boiling limit.
  • a very interesting configuration for a terrestrial application that is to say where gravity applies, consists of integrating one or more of the arteries 11 in a porous medium 14, peripheral to the steam channel 13, as illustrated in the figure 4 .
  • This porous medium 14, also called wick, can have pores with an average size of a few hundred microns per millimeter.
  • the porous medium 14 ensures a very good boiling limit at the level of the evaporator by a multiplication of lines and triple points P, that is to say solid-liquid-vapor contact points, which are very favorable to evaporation.
  • Heat pipes with grooves in particular with reentrant grooves, have the major disadvantage of having a high thermal resistance to the evaporator, and a radial heat flow which it is possible to transmit in the evaporator also limited by the boiling phenomena in the grooves. Typically, this flow is limited to around 15 W/cm 2 for an ammonia heat pipe.
  • the patent US9618275B1 describes a heat pipe with a hybrid structure, ie with grooves which extend longitudinally in the adiabatic part and the condenser and with a porous insert of cylindrical shape in the evaporator.
  • This heat pipe with a hybrid structure partially addresses the problem mentioned above with grooved heat pipes.
  • it has several disadvantages.
  • the return of the liquid (in the evaporator zone) occurs longitudinally in the thickness of the cylindrical porous insert, which induces a high liquid pressure loss.
  • the size of the pores of the porous insert is intrinsically small so as to obtain a high capillary pressure, but with the counterpart of necessarily inducing a low permeability.
  • the method of carrying out the Figure 6 of this patent provides a solution to this problem of low permeability: it provides for an enlargement of the diameter of the porous insert in the evaporator.
  • such widening necessarily induces an increase in thermal resistance in this area of the heat pipe (evaporator).
  • the cylindrical porous insert disclosed must ensure fluid continuity with the grooves of the adiabatic zone, otherwise the capillary pumping risks defusing.
  • this fluid continuity seems difficult to guarantee, and requires expensive and complex solutions (machining of fingers in the porous insert penetrating the grooves), and random.
  • the general aim of the invention is then to respond at least in part to this need.
  • the invention firstly relates to a capillary pumped heat pipe with reentrant grooves, extending along a first longitudinal direction (X), comprising a sealed enclosure extending between a first longitudinal end , intended to be heated by a hot source SC to form, within the enclosure, an evaporator and a second longitudinal end intended to be cooled by a cold source SF to form, within the enclosure, a condenser, the sealed enclosure delimiting an adiabatic zone between the evaporator and the condenser, the sealed enclosure comprising a stack of plates in a second direction, orthogonal to the first direction, two of which closing plates and at least a number of n modules on top of each other with n being an integer greater than or equal to 1, each module comprising at least one intermediate plate between the closing plates, the intermediate plate(s) comprising at least one first intermediate plate comprising at least one window whose edges partially delimit at least one vapor channel extending along the first direction (X) between the evaporator and the condens
  • At least part of the connecting channels opening out from the evaporator each housing an insert made of porous material which extends at least partly into the liquid channel(s) and into the ( s) vapor channel(s), the porous insert being adapted to bring the liquid by capillary action from the liquid channel(s) to the vapor channel(s) in which it evaporates.
  • the condenser of the heat pipe also comprises at least one exchange zone defining a liquid-vapor interface and delimited between the at least one intermediate plate and at least one other intermediate plate or a closing plate, connecting the(s) ) vapor channel(s) and the liquid channel(s), each exchange zone comprising at least one connecting channel emerging, at least part of the connecting channels emerging from the condenser housing each an insert made of porous material which extends at least partly into the liquid channel(s) and into the vapor channel(s), the porous insert being adapted to condense the vapor in the (s) steam channel(s) and bring the condensed liquid by capillary action to the liquid channel.
  • the porous inserts in the evaporator can be made of the same constituent material, have the same shape and/or the same dimensions as the porous inserts in the condenser.
  • the adiabatic zone of the heat pipe comprises at least one exchange zone between the vapor channel(s) and the liquid channel(s), defining a liquid interface. -steam and delimited between the at least one intermediate plate and at least one other intermediate plate or a closing plate, each exchange zone comprising at least one connecting channel opening out free of insert.
  • the liquid channels are present in all zones of the heat pipe (evaporator, adiabatic zone, condenser), in order to minimize the pressure loss of the liquid return.
  • the porous insert of the evaporator and, where applicable, the condenser extends over the entire width of the vapor channel in the third direction (Y).
  • the porous insert of the evaporator and, where appropriate, the condenser extends over the entire width of the liquid channel in the third direction (Y).
  • the porous insert has the shape of a flat sheet.
  • at least part of the intermediate plates comprises, in the evaporator and where appropriate in the condenser, at least one longitudinal notch extending in the first direction (X) forming a support surface and maintaining the porous flat sheet.
  • the material constituting a porous insert is based on graphite, preferably not wettable by a brazing filler metal.
  • a material has the advantage of having high porosity and thermal conductivity, low density and is slightly compressible.
  • it is not wettable by the eutectic aluminum alloy during a process of assembling the plates of the stack by eutectic brazing.
  • ammonia which is a reference fluid for filling the heat pipe enclosure.
  • the width of a porous insert is between 0.1 and 1mm, preferably of the order of 0.6mm. This width determines its thickness and is advantageously slightly greater than or equal to the width of the connecting channels, so as to ensure continuity of the flow of the liquid, and simplify the production of the intermediate plates.
  • the porous insert is compressible and slightly thicker than the width of the connecting channels in the YZ plane so as to ensure good wedging in the spacer plates. Good wedging allows good thermal contact with the plates and thereby efficient conduction of heat between the entry of the heat flow on the plates and the evaporation zone on the faces of the porous insert in the steam channel.
  • the condenser also houses one or more porous inserts
  • the heat flow is applied between the faces of each porous insert in the steam channel, and the extraction of the heat flow is done through the exterior faces of the heat pipe.
  • the average size of the pores of a porous insert is between 1 and 100 ⁇ m, preferably of the order of 50 ⁇ m.
  • the material constituting the plates forming the sealed enclosure is preferably chosen from aluminum, copper, nickel, or an alloy based on at least two of these.
  • the material(s) used for the manufacture of the heat pipe are chosen according to the constraints of mass, assembly, required robustness, compatibility with the fluid, etc.
  • the sheet metal assembly technique depends on the material.
  • vacuum brazing with clad plates for example, in the case of aluminum alloy plates, vacuum brazing with clad plates, salt bath brazing, inert gas brazing, ultrasonic welding, laser welding, gas welding can be used. friction-kneading (“Friction Stir Welding” in Anglo-Saxon language), bonding...
  • the assembly of aluminum alloy plates is obtained by eutectic brazing.
  • aluminum alloy plates are used, one or both faces of which is or are coated with an aluminum alloy with a lower melting point.
  • a sheet of alloy from the AA3xxxx series is used at the core, with a coating with a eutectic alloy from the AA4xxxx series comprising silicon with a lower melting point. merger.
  • the coating is typically done using 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 on one or both sides.
  • Brazing is preferably carried out under pressure using a mechanical holding system, which maintains the stack under pressure during brazing in a vacuum furnace.
  • Cutting and/or folding is required in the manufacturing process to lighten and/or shape the structure. They are preferably made after assembly. It should be noted that the cutting of the windows in the plates, for example the central windows, is carried out before assembly.
  • the heat pipe comprises n modules one on top of the other, n being an integer greater than or equal to 1, defining a single vapor channel and n liquid channels on at least one lateral side, in particular on each lateral side of the vapor channel .
  • the heat pipe comprises a single central vapor channel arranged between n liquid channels distributed laterally on either side of the vapor channel.
  • At least one of the end plates has a surface greater than that of the intermediate plates in a direction transverse to that (Z) of the stack so as to form thermal diffusers.
  • the cross section in the XY plane of the evaporator integrating the porous insert and/or that of the condenser, preferably rectangular, is greater than that of the adiabatic zone of the heat pipe.
  • this variant makes it possible to increase the exchange surface at the evaporator and/or condenser and therefore minimize external thermal resistance, while limiting the increase mass of the heat pipe.
  • the size of the liquid and/or vapor channels in the YZ plane can be increased, making it possible to increase the capillary limit of the heat pipe.
  • the structures of the evaporator and where appropriate the condenser comprise a plurality of pads distributed, preferably uniformly, along the first direction (X). These pads make it possible to minimize the pressure loss in a porous insert, while ensuring mechanical support of the latter.
  • This variant with pads can be made for configurations with liquid channels on the sides of the heat pipe enclosure or in the central part thereof.
  • the heat pipe comprises heat exchange means at the first end and/or second end, the heat exchange means at the second end advantageously comprising one or more fins in thermal contact with at least one of the closing plates.
  • the heat exchange means may comprise a fluidic circuit in thermal contact with at least one of the closing plates, said circuit being formed by a plate structured so as to delimit channels, said channels being closed by said closing plate. closure and an additional closure plate, the heat exchange means also comprising means for supplying heat transfer fluid to said fluid circuit.
  • a fluidic circuit forming the hot source and/or the cold source will take the form of a pleated or perforated closing sheet to form a radiator full air.
  • it can take the form of a liquid or two-phase circuit forming the hot and/or cold source.
  • the cross section in the YZ plane of the vapor channel and the liquid channel(s), preferably rectangular, is constant over the entire length of the heat pipe.
  • cutouts of the narrow connecting channels can be made straight, or with a wavy or sawtooth shape over all or part of the length of the channels.
  • Such a shape makes it possible to obtain walls not wetted by the condensation film, in the condenser of the heat pipe, at the tops of the undulations or saw teeth. This also makes it possible to increase the exchange coefficient in condensation by minimizing the interface resistance of the condensation film.
  • the same heat pipe according to the invention can be used to carry out thermal control, heat transfer, component cooling, etc.
  • the heat source can therefore be for example an electrical or electronic component, heat storage, an exothermic chemical reactor, fin heat sinks in forced convection, cold plates in single or two-phase flow, cold storage, an endothermic chemical reaction, etc.
  • the cold source can consist of a radiator with natural or forced convection.
  • radiator technologies pleated fins, extruded fins, skived fins, pinned fins, molded fins, fins fixed by knurling, fins made by 3D printing, or any other fin obtained by a production technique of surface extension known to those skilled in the art.
  • One or more finned radiators as described above can be used in a heat pipe according to the invention, straight single-channel or multi-channel or having any other shape.
  • the invention essentially consists of proposing a heat pipe of which at least the evaporator integrates within it a porous insert which extends in a connecting channel between the vapor channel and the liquid channel(s).
  • the invention particularly finds application in the space domain.
  • the invention described here makes it possible to respond to these constraints, by allowing different configurations in each heat pipe zone in order to optimize it as best as possible according to the desired performance criteria.
  • the porous inserts inserted longitudinally in the evaporator of the heat pipe will allow the liquid to be transported by capillary action between the liquid channel(s) and the vapor channel.
  • the evaporation of the liquid on the surface of a porous insert allows obtaining a high capillary pressure, while ensuring a higher surface heat flow than a heat pipe with reentrant grooves or a sintered capillary, according to the state of the art.
  • the practical limit of surface heat flux with a heat pipe filled with ammonia, with reentrant grooves according to the state of the art is of the order of 15 W/cm 2 .
  • this practical limit can rise to more than 50 W/cm 2 .
  • Thermal resistance is also improved in the evaporator thanks to a larger liquid evaporation surface.
  • porous inserts longitudinally in the condenser makes it possible to reduce the thermal resistance in this zone, even if this can be done at the expense of an increased liquid pressure loss in this zone.
  • a heat pipe according to the invention has a high capillary pressure thanks to the small pore size of a porous insert. And so, it is likely to work without gravity, or even against gravity. This makes the heat pipe according to the invention particularly suitable for space missions near celestial objects where there may be non-zero gravity (moon, mars, asteroids, etc.).
  • the reference SC used in the figures designates the hot source or, by extension, the zone of application of the heat flux emitted by the hot source directly on the side face of a heat pipe enclosure.
  • ⁇ E designates the heat flow emitted by the hot source towards a heat pipe
  • ⁇ S designates the heat flow emitted by a heat pipe towards a cold source.
  • liquid channels are present both in the evaporator and in the condenser.
  • All the heat pipes according to these examples have the same total length, the same evaporator length, the same length of the adiabatic zone, and the same length of the condenser.
  • the external cross section defining the lateral dimensions of each heat pipe according to these examples is equal to 13.2mm x 13.2mm.
  • Example 1 (according to the state of the art) : the heat pipe with reentrant grooves 1 is obtained by extrusion according to the state of the art with reentrant grooves, as shown in the Figure 5 .
  • the evaporator of such a heat pipe 1 axisymmetric of generally cylindrical shape, comprises a peripheral wall 10 in which are made a plurality of channels 11 with a cross section in the general shape of Omega, regularly distributed angularly and opening via a connecting channel 12 onto a central cylindrical hollow 13 in which the vapor phase circulates.
  • the peripheral wall 10 is in contact with a hot source (SC).
  • SC hot source
  • Example 2 (according to the state of the art) : On the figures 6 to 8 , we can see an example of a heat pipe 1 with capillary pumping with reentrant grooves produced according to the patent application EP3553445 .
  • the heat pipe 1 comprises a sealed enclosure 2 extending along the longitudinal axis within the enclosure an evaporator Z E.
  • the second longitudinal end 4 is intended to be cooled by a cold source SF to form a condenser Zc within the enclosure.
  • the sealed enclosure 2 internally delimits an adiabatic zone Z A between the evaporator and the condenser.
  • the hot source is for example an electrical or electronic component, a heat storage unit, an exothermic chemical reactor.
  • the cold source is for example a radiative surface, fins in forced convection, cold plates in single or two-phase flow, cold storage, an endothermic chemical reaction, etc.
  • the sealed enclosure 2 is produced by stacking and assembling end plates 22 also called closing plates and intermediate plate modules 20 arranged between the end plates 22, according to a process described in the patent application EP3553445 .
  • a module comprises at least two intermediate plates, the plates of the different intermediate plate modules 20 comprising windows or other structures, being stacked so as to delimit channels 11, 12, 13 as detailed below.
  • a module can also include a single plate machined on its two main faces.
  • the plates 20, 22 are preferably made of aluminum alloy and assembled by vacuum brazing.
  • Aluminum alloy plates can preferably be coated with a eutectic clading.
  • a preferred embodiment consists of machining clad plates 20 on their two main faces, then assembling these sheets by vacuum eutectic brazing.
  • machining can be carried out on a single main face of the clad plates.
  • salt bath brazing for assembly, different processes are possible: salt bath brazing, inert gas brazing, ultrasonic welding, friction stir welding, bonding, etc.
  • heat pipes range from a few centimeters to a few meters.
  • the maximum size of heat pipes is generally limited by the tooling available. Indeed, the assembly of sheets by vacuum brazing requires large vacuum furnaces, several meters long.
  • windows are made by punching, cutting, for example by laser or water jet.
  • the stack defining the sealed enclosure 2 is then of rectangular parallelepiped shape with four longitudinal faces parallel to the XY plane or the XZ plane, each having a large surface area favoring heat exchanges with the hot source SC and the cold source SF.
  • the longitudinal face 21 parallel to the plane XY is that which receives the heat flow ( ⁇ E ) from the hot source (SC).
  • the vapor channel 13 of constant rectangular cross section extends along the longitudinal axis adiabatic Z A .
  • a liquid channel 11 may or may not be connected to the vapor channel 13 depending on the area of the heat pipe.
  • a liquid channel 11 When connected to the vapor channel 13, as in the evaporator Z E , a liquid channel 11 is connected by a connecting channel 12 of section in the plane XZ smaller than that of the liquid channel.
  • Each liquid channel 11 is intended for the circulation of liquid from the condenser Zc to the evaporator Z E.
  • a connecting channel 12 forms a reentrant groove by defining an exchange zone between the vapor and the liquid.
  • a connection channel 12 defining at least one liquid-vapor interface.
  • the connecting channels 12 extend in the longitudinal direction X of the heat pipe.
  • this production of the channels 12 has the particular disadvantage that the brazing zones B between intermediate plates 20 within the stack and with the end plates 22 can only be physically present on one longitudinal side of the liquid channels 11.
  • the intermediate plates 20 have a thickness of between 0.5 mm and 6 mm, preferably equal to 2 mm.
  • the end plates 22 have a thickness of between 1 mm and 3 mm, preferably equal to 2 mm.
  • the width in the YZ plane of a connecting channel 12 is between 0.1 and 1mm, preferably of the order of 0.2mm.
  • the width in the YZ plane of a liquid channel 11 is between 0.5 and 4mm, preferably of the order of 3mm.
  • Example 3 (according to the invention) :
  • the evaporator comprises a plurality of porous graphite inserts 15, each preferably in the form of a flat sheet.
  • a porous insert 15 rests inside a longitudinal notch 16 provided for this purpose in an intermediate plate 20.
  • the stacking of the intermediate plates 20 is carried out by alternating between two intermediate plates a porous insert 15 at the evaporator Z E. Then, the two closing plates 22 are arranged at the ends of the stack to close the channel(s) 11, 12, 13. The stack is made so that a porous insert 15 is sandwiched between two plates. spacers 20 or between an intermediate plate 20 and a closing plate 22 while being compressed.
  • the porous insert 15 extends across the entire width in the Y direction of both the liquid 11, connection 12 and vapor 13 channels.
  • the porous insert 15 makes it possible, by capillarity, to bring the liquid from each liquid channel 11 to the vapor channel 13 where it evaporates on the surface.
  • the adiabatic zone Z A and the condenser Zc are free of inserts.
  • the heat flow ⁇ E coming from the hot source reaches the side face 23 of the enclosure 2 of the heat pipe, that is to say being parallel to the plane of the plates 20, 22 and the liquid channels 11 are therefore at opposite face 23.
  • the fact of having several channels 11 in parallel makes it possible to increase the transmitted heat flow and/or the exchange surface.
  • the return of the liquid therefore takes place on the side opposite to that 23 through which the heat flow ⁇ E is supplied, which repels the appearance of bubbles in the liquid channels 11 (boiling limit).
  • the heat flow ⁇ S is extracted by the lateral face 24, that is to say that on the side of the liquid channels 11.
  • Example 4 (according to the invention) : This example illustrated in Figure 12 is identical to Example 3 except that the aspect ratio between the width and height of the heat pipe is different so as to have a flatter heat pipe.
  • Example 5 (according to the invention) :
  • the evaporator also comprises a plurality of porous graphite inserts 15, each preferably in the form of a flat sheet.
  • a porous insert 15 rests inside a longitudinal notch 16 provided for this purpose in an intermediate plate 20.
  • the stacking of the intermediate plates 20 is carried out by alternating between two intermediate plates a porous insert 15 at the evaporator Z E. Then, the two closing plates 22 are arranged at the ends of the stack to close the channel(s) 11, 12, 13.
  • the stack is made so that a porous insert 15 is sandwiched between two intermediate plates 20 or between an intermediate plate 20 and a closing plate 22 while being compressed.
  • the porous insert 15 extends across the entire width in the Y direction of both the liquid 11, connection 12 and vapor 13 channels. To maintain the porous insert 15 even better, we can consider a longitudinal notch provided for this purpose on the outer edge of the liquid channels 11.
  • each lateral end of a porous insert 15 in the Y direction is above a liquid channel 11.
  • two liquid channels 11 are arranged symmetrically on either side of the vapor channel 13 inside from which the porous inserts 15 extend parallel to each other.
  • the adiabatic zone Z A and the condenser Zc are free of inserts and are therefore identical to those of example 2 according to the state of the art.
  • the heat flow ⁇ E coming from the hot source reaches the side face 21 of the enclosure 2 of the heat pipe being perpendicular to the plane of the plates 20, 22.
  • the heat flow ⁇ S is extracted through the side faces 23 or 24. We can also consider extraction through the side face 21 or the one opposite.
  • Example 6 (according to the invention) :
  • the evaporator also comprises a plurality of porous graphite inserts 15, each preferably in the form of a flat sheet.
  • a porous insert 15 rests inside a longitudinal notch 16 provided for this purpose in an intermediate plate 20.
  • the stacking of the intermediate plates 20 is carried out by alternating between two intermediate plates a porous insert 15 at the evaporator Z E. Then, the two closing plates 22 are arranged at the ends of the stack to close the channel(s) 11, 12, 13.
  • the stack is made so that a porous insert 15 is sandwiched between two intermediate plates 20 or between an intermediate plate 20 and a closing plate 22 while being compressed.
  • the porous insert 15 extends across the entire width in the Y direction of both the liquid 11, connection 12 and vapor 13 channels.
  • the central part of a porous insert 15 in the Y direction is above a single liquid channel 11 which is central and which is connected to two vapor channels 13 on either side via a connection channel 12.
  • the porous insert 15 allows the liquid to be brought by capillarity from the central channel 11 to the two vapor channels 13 where it evaporates on the surface.
  • the adiabatic zone Z A and the condenser Zc are free of inserts.
  • the heat flow ⁇ E coming from the hot source reaches the two lateral faces 23, 24 of the enclosure 2 of the heat pipe while being parallel to the plane of the plates 20, 22.
  • the central liquid channels 11 are therefore distant from the faces 23, 24 where the heat flows arrive and therefore have a reduced risk of having a boil within them.
  • the heat flow ⁇ S can be extracted through any side face 21, 23, 24 of the enclosure 2 of the heat pipe.
  • the comparison criteria chosen are respectively the capillary limit, the boiling limit, the thermal resistance at the evaporator, as stated in the publication [3].
  • the capillary limit can be defined as the limiting power determined by the difference between the driving pressure at the liquid/vapor interface at the evaporator and the pressure losses of the liquid and vapor phases migrating inversely in the heat pipe. This limit is calculated using thermo-hydraulic models, and calculated in absolute value and relative to the heat pipe of Example 1 according to the state of the art (cylindrical heat pipe with reentrant grooves).
  • the boiling limit can be defined as the flow beyond which bubbles can arise in the grooves and hinder the movement of the liquid therein. This limit can be evaluated by calculating using a finite element model the maximum overheating in the grooves, and is expressed relative to the overheating in the heat pipe of example 1 according to the state of the art (cylindrical heat pipe with reentrant grooves).
  • FIG. 17 illustrates the different examples in the form of capillary limit curves as a function of the temperature of the heat pipe.
  • Table 1 summarizes the gains in terms of capillary limit, boiling limit and thermal resistance at the evaporator of the different examples of heat pipes compared to the heat pipe of Example 1 according to the state of the art (heat pipe cylindrical with reentrant grooves) whose reference values are equal to 1. It should be noted that the values indicated were calculated for an adiabatic temperature of 60°C. [Table 1] Examples 1 (State of the art) 2 (State of the art) 3 (Invention) 4 (Invention) 5 (Invention) 6 (Invention) Earnings capillary limit 1 3.9 3.4 4.7 4.0 3.1 boiling limit 1 1.3 4.8 4.3 2.3 6.9 thermal resistance to the evaporator 1 1.3 2.7 2.7 2.0 3.1
  • FIG. 18 Another embodiment of the invention is illustrated in figures 18 to 20 .
  • the evaporator Z E comprises a plurality of porous graphite inserts 15, each preferably in the form of a flat sheet.
  • a porous insert 15 rests inside a longitudinal notch 16 provided for this purpose in an intermediate plate 20.
  • the condenser Zc also comprises a plurality of porous graphite inserts 17, each preferably in the form of a flat sheet, as shown in the figure. Figure 18 .
  • the constituent material of the porous inserts 17 may be the same as that of the porous inserts 15.
  • the stacking of the intermediate plates 20 is carried out by alternating between two intermediate plates a porous insert 15 at the evaporator Z E , and a porous insert 17 at the condenser Zc. Then, the two closing plates 22 are arranged at the ends of the stack to close the channel(s) 11, 12, 13. The stack is made so that a porous insert 15 and a porous insert 17 are taken sandwiched between two intermediate plates 20 or between an intermediate plate 20 and a closing plate 22 while being compressed.
  • the porous insert 15 and the porous insert 17 extend across the entire width in the Y direction of both the liquid 11, connection 12 and vapor 13 channels.
  • the central part of a porous insert 15 or a porous insert 17 in the Y direction is above a single liquid channel 11 which is central and which is connected to two vapor channels 13 on either side. another via a link channel 12.
  • the porous insert 15 allows the liquid to be brought by capillarity from the central channel 11 to the two vapor channels 13 where it evaporates on the surface.
  • the adiabatic zone Z A is free of inserts.
  • FIG. 21 illustrates an advantageous variant according to which the closing plates 22 of a stack defining a heat pipe enclosure according to the invention, have a larger surface area in the XY plane, in order to use them as thermal diffusers to spread the heat flow over a wider area, at the level of the evaporator and/or condenser.
  • a more or less wide heat pipe can be produced depending on the evaporator, adiabatic and condenser zones, which makes it possible to optimize the mass of the heat pipe.
  • FIG. 23 illustrates an advantageous variant in which the structures 14 of the evaporator and, where appropriate, the condenser comprise a plurality of pads 18 uniformly distributed in the connecting channels 12 along the direction (X). These pads 18 ensure mechanical retention of the porous insert. The presence of these pads 18 can be achieved for examples with liquid channels on the sides or central as in this Figure 23 .
  • the cutouts of the connecting channels 12 can be made straight, or with a wavy shape ( Figure 24 ) or sawtooth ( Figure 25 ) over all or part of the length of the channels.
  • This shape produced with the ZC condenser makes it possible to obtain walls not wetted by the condensation film at the tops of either the undulations or the saw teeth. This also makes it possible to increase the exchange coefficient in condensation by minimizing the interface resistance of the condensation film.
  • a heat pipe according to the invention can be rectilinear or arranged in different planes. It is possible to make one or more changes of direction by the shape of the plates 20, 22 and/or bends on the enclosure 2 in order to conform to the application for which the heat pipe is intended. Folds can be made in one or more planes as needed, at any folding angle.
  • a limitation on folding would come from a folding radius that is too small compared to the thickness of the heat pipe which could lead to the crushing of the channels during folding, and to the delamination of the plates assembled together.
  • FIG. 26 illustrates such a variant with a heat pipe comprising a rectilinear part 25 integrating the condenser ZC of the heat pipe and another rectilinear part 26, bent at 90° from the rectilinear part 25, which integrates over part of its length the evaporator Z E.
  • the adiabatic zone therefore extends in the two rectilinear parts 25, 26 at 90° from one another.
  • This Figure 26 also shows the presence of fins 27 forming a radiator to the condenser ZC.
  • the filling plug can be fixed to an orifice provided on the closing plates 22, and perpendicular to it.
  • THE figures 27A to 27H illustrate different fin shapes that can be used as a radiator, namely extruded straight fins, skived fins, pleated fins: straight with rectangular section, with triangular section, corrugated, OSF type, straight perforated, louvered .
  • a liquid or two-phase circuit can be integrated directly into a heat pipe as a hot and/or cold source.
  • FIG. 28 illustrates such an integration: a cooling circuit 30 in which a heat transfer fluid is intended to circulate is directly in contact with the condenser.
  • the cooling circuit 30 is formed by an additional plate 31, in which grooves 32 are made defining the side walls of the circuit, and the closing plate 22 and an additional closing plate 22 form the walls of the circuit. end of the cooling circuit.
  • the closure plate 22 has two orifices 29 each opening at one end of the circuit and allowing the circulation of the heat transfer fluid.
  • non-opening longitudinal grooves 16 can be combined with transverse connecting channels 12 over the entire height of the intermediate plates 20, for example in a staggered manner, and where appropriate with longitudinal brazing grooves at the interface between plates 20 or 20, 22.
  • a 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 according to the operating and storage temperature range of the device, depending on the constraints due to pressure, flammability, toxicity of the fluid and chemical compatibility between the fluid and the material. forming the heat pipe.
  • the fluid can be used as fluid.
  • ammonia water, acetone, methane....
  • the preferred filling fluid is ammonia (NH3).
  • the couples envisaged can be as follows: Working fluid Heat pipe metal(s) Ammonia Aluminum, steel, stainless steel, nickel Methanol Copper, stainless steel Acetone Aluminum, stainless steel Water Copper, nickel, titanium

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

L'invention concerne un caloduc (1) dont au moins l'évaporateur intègre en son sein un insert poreux qui s'étend dans un canal de liaison entre canal vapeur et canal(ux) liquide(s).The invention relates to a heat pipe (1) of which at least the evaporator integrates within it a porous insert which extends in a connecting channel between the vapor channel and the liquid channel(s).

Description

Domaine techniqueTechnical area

La présente invention concerne un caloduc de type à pompage capillaire à rainures réentrantes.The present invention relates to a capillary pumping type heat pipe with reentrant grooves.

La présente invention vise à améliorer le pompage capillaire, tout en assurant un flux de chaleur surfacique élevé d'un tel caloduc.The present invention aims to improve capillary pumping, while ensuring a high surface heat flux of such a heat pipe.

Technique antérieurePrior art

Un caloduc est un dispositif thermique permettant de transférer une quantité d'énergie depuis une source chaude vers une source froide, distantes d'une certaine longueur.A heat pipe is a thermal device allowing a quantity of energy to be transferred from a hot source to a cold source, a certain length apart.

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 pur permettant de saturer le réseau capillaire. Une fois l'enceinte close, et soumis à une source chaude, il y a établissement d'un équilibre entre la phase liquide et la phase vapeur.A heat pipe comprises a hermetically sealed enclosure, a working fluid and a capillary network. During manufacturing, all the air present in the heat pipe tube is evacuated and a quantity of pure liquid is introduced to saturate the capillary network. Once the enclosure is closed and subjected to a hot source, an equilibrium is established between the liquid phase and the vapor phase.

Sous l'effet d'une source chaude appliquée dans une zone à l'une des extrémités longitudinales, désignée évaporateur, une partie de la phase liquide se vaporise et absorbe le flux thermique sous forme latente en induisant une légère surpression qui provoque le mouvement de la vapeur vers une zone à l'autre extrémité longitudinale, désignée condenseur où la source froide s'applique. Au condenseur, la vapeur se condense et repasse en phase liquide. Le fluide condensé (le condensat) circule dans le réseau capillaire et revient vers l'évaporateur pour refaire un cycle, sous l'effet de forces capillaires, lorsque le caloduc n'est pas soumis à la gravité. Le retour du fluide liquide du condenseur à l'évaporateur est obtenu par pompage capillaire.Under the effect of a hot source applied in a zone at one of the longitudinal ends, designated the evaporator, part of the liquid phase vaporizes and absorbs the heat flow in latent form by inducing a slight overpressure which causes the movement of the steam towards an area at the other longitudinal end, designated the condenser where the cold source is applied. At the condenser, the vapor condenses and returns to the liquid phase. The condensed fluid (condensate) circulates in the capillary network and returns to the evaporator to repeat a cycle, under the effect of capillary forces, when the heat pipe is not subject to gravity. The return of the liquid fluid from the condenser to the evaporator is obtained by capillary pumping.

En effet, en l'absence de gravité, le moteur du caloduc est le pompage capillaire du fluide qui s'opère au niveau des zones d'interface liquide-vapeur spécifiquement configurées pour qu'un ménisque se forme, résultant de l'angle de contact entre le fluide et le métal constituant le caloduc (lui-même dépendant de la tension superficielle du fluide, et des tensions interfaciales solide/liquide et solide/vapeur). Plus les forces de pompage capillaire sont grandes par rapport aux diverses forces de frottement des phases du fluide avec les parois et entre elles, plus le caloduc est performant et peut transporter une grande quantité d'énergie.Indeed, in the absence of gravity, the engine of the heat pipe is the capillary pumping of the fluid which takes place at the level of the liquid-vapor interface zones specifically configured so that a meniscus forms, resulting from the angle of contact between the fluid and the metal constituting the heat pipe (itself depending on the surface tension of the fluid, and the tensions solid/liquid and solid/vapor interfacials). The greater the capillary pumping forces in relation to the various friction forces of the fluid phases with the walls and between them, the more efficient the heat pipe is and can transport a large quantity of energy.

Les caloducs concernés par cette absence de gravité sont par exemple ceux mis en oeuvre dans des conditions de fonctionnement spatiales, comme pour la thermalisation de système de télécommunication des satellites.The heat pipes affected by this absence of gravity are for example those used in space operating conditions, such as for the thermalization of satellite telecommunications systems.

En régime terrestre, avec la gravité, la problématique du retour de phase liquide est tout autre, et d'autres configurations d'interface liquide-vapeur/paroi sont mises en oeuvre.In the terrestrial regime, with gravity, the problem of liquid phase return is completely different, and other liquid-vapor/wall interface configurations are implemented.

Les caloducs à rainures fonctionnent sur le principe du pompage capillaire. Ils comportent un tube, dans lequel la surface intérieure comporte des rainures axiales/longitudinales [1] ou légèrement en forme de spirale. Les caloducs à rainures comportent un coeur vapeur et un réseau capillaire périphérique dans lequel circule la phase liquide. Du fait d'une variation de courbure de l'interface liquide-vapeur- entre 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.Grooved heat pipes work on the principle of capillary pumping. They feature a tube, in which the inner surface has axial/longitudinal [1] or slightly spiral-shaped grooves. Grooved heat pipes comprise a vapor core and a peripheral capillary network in which the liquid phase circulates. Due to a variation in curvature of the liquid-vapor 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.

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.Furthermore, deep grooves make it possible to obtain a large passage section for the liquid return, and therefore to minimize pressure loss.

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 et, dans une moindre mesure les pertes de charge de l'écoulement vapeur.The maximum power that grooved heat pipes can transport is generally fixed by the capillary limit, the driving term of which is the capillary pressure, and the term essentially limiting the loss of liquid pressure in the grooves and, to a lesser extent, the pressure losses of steam flow.

Les caloducs à rainures réentrantes sont des exemples particuliers de caloducs à rainures, dans lesquels les rainures présentent un canal de liaison étroit par rapport au reste de la rainure, ce qui permet d'augmenter l'effet de pompage capillaire tout en limitant les pertes de charge dans la phase liquide. Ces caloducs sont utilisés principalement dans le domaine spatial, par exemple pour la régulation thermique dans les satellites et/ou les engins spatiaux.Reentrant groove heat pipes are particular examples of groove heat pipes, in which the grooves have a narrow connection channel relative to the rest of the groove, which allows the capillary pumping effect to be increased while limiting heat losses. charge in the liquid phase. These heat pipes are used mainly in the space sector, for example for thermal regulation in satellites and/or spacecraft.

Les techniques de réalisation connues des caloducs à rainures, et notamment des caloducs à rainures réentrantes, ne permettent pas d'obtenir des rainures ayant une profondeur sensiblement plus grande que leur largeur.The known production techniques for heat pipes with grooves, and in particular heat pipes with reentrant grooves, do not make it possible to obtain grooves having a depth significantly greater than their width.

Ces caloducs sont réalisés essentiellement par extrusion avec ou sans mandrin flottant comprenant le motif des rainures. Ce procédé permet de réaliser, généralement dans des métaux relativement mous (aluminium ou cuivre), des tubes généralement cylindriques pourvus de rainures internes longitudinales ou légèrement spiralées à l'intérieur du tube.These heat pipes are made essentially by extrusion with or without a floating mandrel including the groove pattern. This process makes it possible to carry out, generally in relatively soft metals (aluminum or copper), generally cylindrical tubes with internal longitudinal or slightly spiral grooves inside the tube.

Ces tubes sont également utilisés dans les évaporateurs et condenseurs, mais peuvent également être utilisés pour réaliser des caloducs.These tubes are also used in evaporators and condensers, but can also be used to make heat pipes.

Les rainures sont généralement rectangulaires ou trapézoïdales et d'un rapport d'aspect limité par le procédé d'extrusion. La profondeur des rainures peut aller généralement jusqu'à 0,2mm avec un rapport d'aspect profondeur/largeur de l'ordre de 1 maximum.The grooves are generally rectangular or trapezoidal and of an aspect ratio limited by the extrusion process. The depth of the grooves can generally go up to 0.2mm with a depth/width aspect ratio of around 1 maximum.

Dans le cas des rainures réentrantes, les contraintes de fabrication sont encore plus draconiennes, limitant la largeur, la longueur du rétrécissement et la section de la partie réentrante.In the case of reentrant grooves, the manufacturing constraints are even more drastic, limiting the width, the length of the constriction and the section of the reentrant part.

Une autre technique utilise l'usinage mécanique, avec cette technique également le rapport profondeur sur largeur n'est pas sensiblement supérieur à 1. En outre, cette technique a un prix de revient relativement élevé et n'est pas adaptée à la fabrication en moyenne et grande série.Another technique uses mechanical machining, with this technique also the depth to width ratio is not significantly greater than 1. Furthermore, this technique has a relatively high cost price and is not suitable for manufacturing on average and large series.

Une autre technique utilise la gravure chimique. Mais elle ne permet pas non plus d'avoir un rapport profondeur sur largeur important.Another technique uses chemical etching. But it also does not allow for a significant depth to width ratio.

Pour pallier ces inconvénients, la demanderesse a proposé dans la demande de brevet EP3553445A1 un caloduc réalisé par empilement de plaques solidarisées entre elles avec étanchéité, dont les plaques d'extrémité formant des plaques de fermeture et les plaques intercalaires sont structurées, de sorte que leur empilement délimite des rainures réentrantes s'étendant sur toute la longueur du caloduc. Les plaques peuvent être assemblées par différentes techniques de soudure, brasure ou collage.To overcome these drawbacks, the applicant proposed in the patent application EP3553445A1 a heat pipe made by stacking plates joined together with sealing, the end plates of which forming closing plates and the intermediate plates are structured, so that their stacking delimits reentrant grooves extending over the entire length of the heat pipe. The plates can be assembled using different welding, brazing or bonding techniques.

Sur la plage de températures de fonctionnement d'un caloduc, différentes limites physiques peuvent limiter ses performances.Over the operating temperature range of a heat pipe, different physical limits can limit its performance.

La courbe de fonctionnement du caloduc, qui permet de connaitre sa capacité de transport maximum, est obtenue par la réunion des courbes correspondant aux différentes limites physiques de fonctionnement qui définissent au final le domaine de fonctionnement du caloduc en termes de puissance maximale qu'il peut transférer.The operating curve of the heat pipe, which allows us to know its maximum transport capacity, is obtained by combining the curves corresponding to the different physical operating limits which ultimately define the operating range of the heat pipe in terms of maximum power that it can to transfer.

La figure 1 illustre la courbe délimitant le domaine de fonctionnement pour un exemple de caloduc à pompage capillaire. Sur cette figure 1, on rappelle que les portions de courbe Qvisqueuse, Qsonique, Qentraînement, Qcapillaire, Qébullition, définissent respectivement les limites visqueuse, sonique, d'entraînement, capillaire et d'ébullition.There figure 1 illustrates the curve delimiting the operating range for an example of a capillary pumped heat pipe. On this figure 1 , we recall that the portions of curve Qviscous, Qsonic, Qentrainment, Qcapillary, Qboiling, define the viscous, sonic, entrainment, capillary and boiling limits respectively.

En ce qui concerne la limite d'ébullition, dans un caloduc à pompage capillaire, la pression motrice capillaire doit compenser les pertes de charge statiques liées aux forces de volume et dynamiques générées par l'écoulement du fluide de travail du caloduc (frottements entre les écoulements et les parois). Cette pression motrice capillaire, qui correspond à la différence de pression capillaire entre l'évaporateur et le condenseur, est fonction de la structure du caloduc, et les pertes de charge dynamiques qui sont croissantes avec le débit massique du fluide de travail (et avec la longueur du caloduc), lui-même fonction de la puissance thermique imposée à l'évaporateur : la limite capillaire est atteinte lorsque la pression motrice capillaire est égale à la somme des pertes de charges (phase liquide et phase vapeur). Autrement dit, un caloduc ne fonctionne que si la pression motrice capillaire est supérieure, en conditions de microgravité, aux pertes de charge, et donc en dessous de la limite capillaire.Regarding the boiling limit, in a capillary pumped heat pipe, the capillary driving pressure must compensate for the static pressure losses linked to the volume and dynamic forces generated by the flow of the working fluid from the heat pipe (friction between the flows and walls). This capillary driving pressure, which corresponds to the difference in capillary pressure between the evaporator and the condenser, is a function of the structure of the heat pipe, and the dynamic pressure losses which are increasing with the mass flow of the working fluid (and with the length of the heat pipe), itself a function of the thermal power imposed on the evaporator: the capillary limit is reached when the capillary driving pressure is equal to the sum of the pressure losses (liquid phase and vapor phase). In other words, a heat pipe only works if the capillary driving pressure is greater, in microgravity conditions, than the pressure losses, and therefore below the capillary limit.

Cette limite s'exprime généralement en W.m : elle est inversement proportionnelle à la longueur efficace du caloduc, c'est-à-dire que pour un même design (même section transversale sur toute la longueur), la limite capillaire, exprimée en W, d'un caloduc de 2 mètres est la moitié de celle d'un caloduc de 1 mètre.This limit is generally expressed in W.m: it is inversely proportional to the effective length of the heat pipe, that is to say that for the same design (same cross section over the entire length), the capillary limit, expressed in W, of a 2 meter heat pipe is half that of a 1 meter heat pipe.

Les pertes de charge par frottement dans un écoulement s'expriment par l'équation de Darcy-Weisbach comme suit : dP dz = f 1 D h ρ v 2 2

Figure imgb0001
dans laquelle :

  • f est le coefficient de perte de charge (dépendant du régime d'écoulement du fluide, et que l'on peut déterminer via le nombre de Reynolds à partir de corrélations),
  • v la vitesse du fluide de travail (proportionnelle à la puissance thermique à transporter),
  • ρ la masse volumique du fluide de travail et
  • Dh le diamètre hydraulique.
Frictional pressure losses in a flow are expressed by the Darcy-Weisbach equation as follows: dP dz = f 1 D h ρ v 2 2
Figure imgb0001
in which :
  • f is the pressure loss coefficient (dependent on the fluid flow regime, and which can be determined via the Reynolds number from correlations),
  • v the speed of the working fluid (proportional to the thermal power to be transported),
  • ρ the density of the working fluid and
  • Dh the hydraulic diameter.

Le diamètre hydraulique est lui-même défini par l'équation suivante: D h = 4 S P m

Figure imgb0002
avec S la section du fluide et Pm le périmètre mouillé.The hydraulic diameter is itself defined by the following equation: D h = 4 S P m
Figure imgb0002
with S the section of the fluid and Pm the wetted perimeter.

On comprend donc que pour maximiser la limite capillaire, il faut privilégier des canaux de liquide et de vapeur de section élevée, afin de minimiser les vitesses de fluides dans ces canaux sans réduire le débit, qui est proportionnel à la puissance thermique transférée dans le caloduc.We therefore understand that to maximize the capillary limit, it is necessary to favor liquid and vapor channels of high section, in order to minimize the fluid speeds in these channels without reducing the flow rate, which is proportional to the thermal power transferred in the heat pipe .

Il est également nécessaire d'avoir une largeur de rainure à l'interface faible, afin d'avoir une pression capillaire élevée. Mais cette largeur de rainure ne peut être trop faible pour être réalisable technologiquement par une opération de brasure selon le procédé de la demande EP3553445A1 . En effet, une largeur trop faible induirait un risque de bouchage par la brasure.It is also necessary to have a low groove width at the interface, in order to have a high capillary pressure. But this groove width cannot be too small to be technologically achievable by a brazing operation according to the process of the request. EP3553445A1 . Indeed, too small a width would create a risk of blockage by the solder.

Par ailleurs, le rapport des sections entre le canal et la rainure ne doit pas être trop élevé, afin de faciliter l'évacuation des bulles de vapeur pouvant éventuellement apparaitre dans les canaux.Furthermore, the ratio of sections between the channel and the groove must not be too high, in order to facilitate the evacuation of steam bubbles which may possibly appear in the channels.

Par ailleurs également, lors de l'évaporation se réalisant au niveau du ménisque de l'interface liquide/vapeur dans la rainure qui délimite un canal de liaison, le ménisque recule dans cette dernière, d'autant plus que le flux thermique est élevé. Si le ménisque recule trop, il peut atteindre le canal réentrant. Dans ce cas, le rayon capillaire à l'interface augmente et donc la pression capillaire, moteur du caloduc diminue; il y a alors risque de désamorçage du caloduc.Furthermore also, during the evaporation taking place at the level of the meniscus of the liquid/vapor interface in the groove which delimits a connecting channel, the meniscus moves back in the latter, all the more so as the heat flow is high. If the meniscus moves back too much, it can reach the reentrant canal. In this case, the capillary radius at the interface increases and therefore the capillary pressure, driving the heat pipe, decreases; there is then a risk of defusing the heat pipe.

Il est donc avantageux d'avoir un volume important de liquide dans un canal de liaison, afin de minimiser ce phénomène.It is therefore advantageous to have a large volume of liquid in a connecting channel, in order to minimize this phenomenon.

La résistance thermique globale d'un caloduc peut être évaluée en faisant une analogie de réseau de résistances thermiques indépendantes.The overall thermal resistance of a heat pipe can be evaluated by making a network analogy of independent thermal resistances.

Un tel réseau est schématisé en figure 2 dans laquelle un flux de chaleur Q émis par une source chaude SC doit être évacué par un caloduc jusqu'à une source froide SF.Such a network is schematized in figure 2 in which a heat flow Q emitted by a hot source SC must be evacuated by a heat pipe to a cold source SF.

D'un point de vue thermique, le caloduc peut être considéré comme un ensemble d'un nombre de onze résistances thermiques R1 à R11 en série et/ou en parallèle comme représenté sur cette figure 2. Les résistances axiales de la paroi extérieure R10 et du réseau capillaire R11 sur la longueur du caloduc sont immenses. Par conséquent, le chemin du flux thermique privilégié est celui passant par la section de circulation de la vapeur. Ce chemin est constitué de cinq résistances différentes, comme suit :

  • la résistance entre la source extérieure et la paroi R1, R9 respectivement à l'évaporateur et au condenseur;
  • la résistance de la paroi extérieure R2, R8 respectivement à l'évaporateur et au condenseur;
  • la résistance des canaux liquides (réseau capillaire) R3, R7 respectivement à l'évaporateur et au condenseur ;
  • la résistance de l'interface entre liquide et vapeur R4, R6 respectivement à l'évaporateur et au condenseur et
  • la résistance de l'écoulement de vapeur R5.
From a thermal point of view, the heat pipe can be considered as a set of a number of eleven thermal resistors R1 to R11 in series and/or in parallel as shown in this figure 2 . The axial resistances of the outer wall R10 and the capillary network R11 along the length of the heat pipe are immense. Consequently, the preferred heat flow path is that passing through the steam circulation section. This path is made up of five different resistances, as follows:
  • the resistance between the external source and the wall R1, R9 respectively to the evaporator and the condenser;
  • the resistance of the outer wall R2, R8 to the evaporator and the condenser respectively;
  • the resistance of the liquid channels (capillary network) R3, R7 to the evaporator and the condenser respectively;
  • the resistance of the interface between liquid and vapor R4, R6 respectively at the evaporator and the condenser and
  • the resistance of the steam flow R5.

Sur ce chemin, la résistance thermique limitante est celle des canaux liquides (réseau capillaire), respectivement à l'évaporateur et au condenseur (R3, R7).On this path, the limiting thermal resistance is that of the liquid channels (capillary network), respectively at the evaporator and the condenser (R3, R7).

Pour l'évaporateur, l'auteur de la publication [2] a proposé un modèle de résistance thermique avec un chemin à travers le liquide dans la rainure en parallèle d'un chemin conductif dans la dent puis dans le film d'évaporation.For the evaporator, the author of the publication [2] proposed a thermal resistance model with a path through the liquid in the groove parallel to a conductive path in the tooth and then in the evaporation film.

Dans ce modèle très conservatif, la conductivité équivalente du film est donnée par une formule empirique selon l'équation 3 : λ film = λ l 0.185 c

Figure imgb0003
In this very conservative model, the equivalent conductivity of the film is given by an empirical formula according to equation 3: λ movie = λ L 0.185 vs
Figure imgb0003

Dans un caloduc à parois en aluminium et rempli d'ammoniac en tant que fluide de travail, étant donné l'écart de conductivité thermique entre l'ammoniac liquide (0,4 W/m/K) et l'aluminium (150 W/m/K), le chemin privilégié du flux thermique entre la source chaude et la vapeur va passer par les parois métalliques entre canaux liquides.In an aluminum-walled heat pipe filled with ammonia as the working fluid, given the difference in thermal conductivity between liquid ammonia (0.4 W/m/K) and aluminum (150 W/ m/K), the preferred path of the heat flow between the hot source and the steam will pass through the metal walls between liquid channels.

Le même schéma se produit au condenseur, où le chemin privilégié du flux thermique entre la vapeur et la source froide va passer par les parois entre canaux.The same pattern occurs at the condenser, where the preferred path of the heat flow between the steam and the cold source will pass through the walls between channels.

Il ressort donc que, pour augmenter la conductance thermique à l'évaporateur et au condenseur, il est avantageux que les parois entre canaux liquides aient une section la plus élevée possible.It therefore appears that, to increase the thermal conductance at the evaporator and the condenser, it is advantageous for the walls between liquid channels to have as high a section as possible.

Enfin, la résistance de film dépend notamment de la longueur des lignes triples de contact entre liquide, vapeur et solide.Finally, the film resistance depends in particular on the length of the triple contact lines between liquid, vapor and solid.

La résistance mécanique d'un caloduc à rainures réentrantes peut également aussi impacter ses performances. En particulier, dans la demande de brevet EP3553445A1 , un canal de liaison entre un canal liquide et un canal vapeur est complètement ouvert sur toute sa longueur selon l'axe longitudinal du caloduc, l'assemblage brasé, collé ou soudé des plaques empilées ne peut donc être réalisé que sur les parois périphériques de celles-ci, ce qui entraîne des épaisseurs de paroi importantes pour résister à la pression interne du caloduc.The mechanical resistance of a heat pipe with reentrant grooves can also impact its performance. In particular, in the patent application EP3553445A1 , a connecting channel between a liquid channel and a vapor channel is completely open over its entire length along the longitudinal axis of the heat pipe, the brazed, glued or welded assembly of the stacked plates can therefore only be carried out on the peripheral walls of these, which results in significant wall thicknesses to resist the internal pressure of the heat pipe.

On connaît par ailleurs un autre type de caloduc, dit à artère, comme divulgué dans le brevet US4422501A , qui est un caloduc dont le retour liquide des condensats est physiquement séparé du canal où circule la vapeur après évaporation.We also know another type of heat pipe, called an artery, as disclosed in the patent US4422501A , which is a heat pipe whose liquid condensate return is physically separated from the channel where the steam circulates after evaporation.

Le principal avantage d'un caloduc à artère est d'annihiler le flux maximum d'entrainement des particules liquides par la vapeur en supprimant les interfaces liquide/vapeur dans la zone adiabatique du caloduc.The main advantage of an artery heat pipe is to annihilate the maximum flow of liquid particles entrained by the vapor by eliminating the liquid/vapor interfaces in the adiabatic zone of the heat pipe.

De plus, la réalisation d'un caloduc à artère est bien moins onéreuse et simple à mettre en place qu'un caloduc à réseau périphérique capillaire fritté. Avec une artère de faible diamètre, suivant le fluide et les matériaux sélectionnés, si les forces capillaires sont assez importantes, un fonctionnement contre la gravité peut être escompté avec de bonnes performances.In addition, producing an artery heat pipe is much less expensive and simple to install than a heat pipe with a sintered peripheral capillary network. With a small diameter artery, depending on the fluid and materials selected, if the capillary forces are large enough, operation against gravity can be expected with good performance.

Un tel caloduc 1 à artère est représenté aux figures 3, 3A et 3B : tout comme les autres caloducs rectilignes, il comprend une enceinte étanche délimitée par une paroi 10 et s'étend entre une première extrémité longitudinale, destinée à être échauffée par un flux thermique ΦE émis par une source chaude, pour former, au sein de l'enceinte, un évaporateur ZE et une deuxième extrémité longitudinale destinée à sortir un flux thermique ΦS vers une source froide pour former, au sein de l'enceinte, un condenseur Zc où la vapeur V se condense, l'enceinte étanche délimitant une zone adiabatique ZA entre l'évaporateur et le condenseur.Such an artery heat pipe 1 is shown in figures 3, 3A And 3B : just like other rectilinear heat pipes, it comprises a sealed enclosure delimited by a wall 10 and extends between a first longitudinal end, intended to be heated by a thermal flow Φ E emitted by a hot source, to form, within the enclosure, an evaporator Z E and a second longitudinal end intended to output a thermal flow Φ S towards a source cold to form, within the enclosure, a condenser Zc where the vapor V condenses, the sealed enclosure delimiting an adiabatic zone Z A between the evaporator and the condenser.

Un tel caloduc 1 à artère intègre un canal liquide 11 formant une artère qui ramène le liquide depuis le condenseur Zc vers l'évaporateur ZE, qui est dissocié du canal vapeur 13. Dans un tel caloduc, il n'y a pas d'interface liquide-vapeur hormis à l'évaporateur ZE et au condenseur Zc. Cela permet en outre de réduire les forces de frottement de la phase liquide. En plus, la phase liquide au niveau de l'évaporateur ZE n'est pas directement soumise au flux de chaleur ΦE de la source chaude, et cela joue un rôle dans l'éloignement de la limite d'ébullition.Such an artery heat pipe 1 integrates a liquid channel 11 forming an artery which brings the liquid from the condenser Zc to the evaporator Z E , which is dissociated from the vapor channel 13. In such a heat pipe, there is no liquid-vapor interface except for the evaporator Z E and the condenser Zc. This also makes it possible to reduce the friction forces of the liquid phase. In addition, the liquid phase at the evaporator Z E is not directly subjected to the heat flow Φ E from the hot source, and this plays a role in moving away from the boiling limit.

Une configuration très intéressante pour une application terrestre, c'est-à-dire où la gravité s'applique, consiste à intégrer une ou plusieurs des artères 11 dans un milieu poreux 14, périphérique au canal vapeur 13, comme illustré à la figure 4. Ce milieu poreux 14, aussi appelé mèche, peut avoir des pores d'une taille moyenne de quelques centaines de microns au millimètre. En plus de la perte de pression liquide réduite qu'il induit, le milieu poreux 14 assure une très bonne limite d'ébullition au niveau de l'évaporateur par une démultiplication de lignes et de points triples P, c'est-à-dire de points de contact solide-liquide-vapeur, qui sont très favorables à l'évaporation.A very interesting configuration for a terrestrial application, that is to say where gravity applies, consists of integrating one or more of the arteries 11 in a porous medium 14, peripheral to the steam channel 13, as illustrated in the figure 4 . This porous medium 14, also called wick, can have pores with an average size of a few hundred microns per millimeter. In addition to the loss of reduced liquid pressure that it induces, the porous medium 14 ensures a very good boiling limit at the level of the evaporator by a multiplication of lines and triple points P, that is to say solid-liquid-vapor contact points, which are very favorable to evaporation.

Les caloducs à rainures, notamment à rainures réentrantes ont pour inconvénient majeur d'avoir une résistance thermique élevée à l'évaporateur, et un flux thermique radial qu'il est possible de transmettre dans l'évaporateur également limité par les phénomènes d'ébullition dans les rainures. Typiquement, ce flux est limité à environ 15 W/cm2 pour un caloduc ammoniac.Heat pipes with grooves, in particular with reentrant grooves, have the major disadvantage of having a high thermal resistance to the evaporator, and a radial heat flow which it is possible to transmit in the evaporator also limited by the boiling phenomena in the grooves. Typically, this flow is limited to around 15 W/cm 2 for an ammonia heat pipe.

Les caloducs avec une structure capillaire poreuse, telle qu'une poudre frittée, permettent d'atteindre des performances plus élevées que les caloducs à rainures. En particulier, ces caloducs avec structure capillaire poreuse permettent notamment d'accommoder des flux thermiques surfaciques à l'évaporateur beaucoup plus élevés, et d'avoir une résistance thermique à l'évaporateur plus faible. Néanmoins, ils présentent deux inconvénients majeurs suivants:

  • pour une structure réalisée par poudre frittée, il est nécessaire de fritter celle-ci à l'intérieur du caloduc, ce qui est difficilement réalisable sur des longueurs de plusieurs mètres, typiquement rencontrées dans des applications spatiales (satellites) ;
  • la taille des pores de la structure capillaire poreuse étant de quelques microns, les pertes de pression du retour de liquide dans ladite structure deviennent vite rédhibitoires sur des longueurs de plusieurs mètres, ce qui limite la puissance thermique transportable.
Heat pipes with a porous capillary structure, such as sintered powder, achieve higher performance than grooved heat pipes. In particular, these heat pipes with porous capillary structure make it possible to accommodate much higher surface heat fluxes at the evaporator, and to have lower thermal resistance to the evaporator. However, they have two major disadvantages:
  • for a structure made by sintered powder, it is necessary to sinter it inside the heat pipe, which is difficult to achieve over lengths of several meters, typically encountered in space applications (satellites);
  • the size of the pores of the porous capillary structure being a few microns, the pressure losses of the return of liquid in said structure quickly become prohibitive over lengths of several meters, which limits the transportable thermal power.

Le brevet US9618275B1 décrit un caloduc à structure hybride, i.e. avec des rainures qui s'étendent longitudinalement dans la partie adiabatique et le condenseur et avec un insert poreux de forme cylindrique dans l'évaporateur. Ce caloduc à structure hybride répond partiellement à la problématique mentionnée ci-avant des caloducs à rainures. Il présente cependant plusieurs inconvénients. Tout d'abord, le retour du liquide (dans la zone évaporateur) se fait longitudinalement dans l'épaisseur de l'insert poreux cylindrique, ce qui induit une perte de pression liquide élevée. En effet, la taille des pores de l'insert poreux est intrinsèquement faible de manière à obtenir une pression capillaire élevée, mais avec la contrepartie d'induire nécessairement une perméabilité faible. Le mode de la réalisation de la figure 6 de ce brevet apporte une solution à ce problème de faible perméabilité : il prévoit un élargissement du diamètre de l'insert poreux dans l'évaporateur. Or, un tel élargissement induit nécessairement une augmentation de la résistance thermique dans cette zone du caloduc (évaporateur). Par ailleurs, l'insert poreux cylindrique divulgué doit assurer une continuité fluidique avec les rainures de la zone adiabatique, faute de quoi le pompage capillaire risque de se désamorcer. Or, concrètement, cette continuité fluidique semble difficile à garantir, et nécessite des solutions chères et complexes (usinage de doigts dans l'insert poreux pénétrant dans les rainures), et aléatoire.The patent US9618275B1 describes a heat pipe with a hybrid structure, ie with grooves which extend longitudinally in the adiabatic part and the condenser and with a porous insert of cylindrical shape in the evaporator. This heat pipe with a hybrid structure partially addresses the problem mentioned above with grooved heat pipes. However, it has several disadvantages. First of all, the return of the liquid (in the evaporator zone) occurs longitudinally in the thickness of the cylindrical porous insert, which induces a high liquid pressure loss. Indeed, the size of the pores of the porous insert is intrinsically small so as to obtain a high capillary pressure, but with the counterpart of necessarily inducing a low permeability. The method of carrying out the Figure 6 of this patent provides a solution to this problem of low permeability: it provides for an enlargement of the diameter of the porous insert in the evaporator. However, such widening necessarily induces an increase in thermal resistance in this area of the heat pipe (evaporator). Furthermore, the cylindrical porous insert disclosed must ensure fluid continuity with the grooves of the adiabatic zone, otherwise the capillary pumping risks defusing. However, in concrete terms, this fluid continuity seems difficult to guarantee, and requires expensive and complex solutions (machining of fingers in the porous insert penetrating the grooves), and random.

Par conséquent, il existe un besoin pour améliorer encore les caloducs à rainures, en particulier réentrantes, et ce afin de pallier les inconvénients précités, notamment la résistance thermique élevée à l'évaporateur et la limitation du flux thermique radial à l'évaporateur, typiquement de l'ordre de 15 W/cm2 pour un caloduc rempli d'ammoniac.Consequently, there is a need to further improve heat pipes with grooves, in particular reentrant grooves, in order to overcome the aforementioned drawbacks, in particular the high thermal resistance to the evaporator and the limitation of the radial heat flow to the evaporator, typically of the order of 15 W/cm 2 for a heat pipe filled with ammonia.

Le but général de l'invention est alors de répondre au moins en partie à ce besoin.The general aim of the invention is then to respond at least in part to this need.

Exposé de l'inventionPresentation of the invention

Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet un caloduc à pompage capillaire à rainures réentrantes, s'étendant le long d'une première direction longitudinale (X), comprenant une enceinte étanche s'étendant entre une première extrémité longitudinale, destinée à être échauffée par une source chaude SC pour former, au sein de l'enceinte, un évaporateur et une deuxième extrémité longitudinale destinée à être refroidie par une source froide SF pour former, au sein de l'enceinte, un condenseur, l'enceinte étanche délimitant une zone adiabatique entre l'évaporateur et le condenseur, l'enceinte étanche comprenant un empilement de plaques selon une deuxième direction, orthogonale à la première direction, dont deux plaques de fermeture et au moins un nombre de n modules les uns sur les autres avec n étant un entier supérieur ou égal à 1, chaque module comprenant au moins une plaque intercalaire entre les plaques de fermeture, la ou les plaques intercalaires comprenant au moins une première plaque intercalaire comportant au moins une fenêtre dont les bords délimitent en partie au moins un canal vapeur s'étendant le long de la première direction (X) entre l'évaporateur et le condenseur, dans lequel la vapeur est destinée à circuler, et sur au moins un côté latéral de la fenêtre selon une troisième direction (Y) orthogonale aux première (X) et deuxième direction (Z), au moins une structuration dont les bords délimitent en partie au moins un canal liquide dans l'évaporateur et le condenseur, le caloduc comprenant, au moins dans l'évaporateur, au moins une zone d'échange définissant une interface liquide-vapeur et délimitée entre la au moins une plaque intercalaire et au moins une autre plaque intercalaire ou une plaque de fermeture, reliant le(s) canal(ux) vapeur(s) et le(s) canal(ux) liquide(s), chaque zone d'échange comprenant au moins un canal de liaison débouchant.To do this, the invention firstly relates to a capillary pumped heat pipe with reentrant grooves, extending along a first longitudinal direction (X), comprising a sealed enclosure extending between a first longitudinal end , intended to be heated by a hot source SC to form, within the enclosure, an evaporator and a second longitudinal end intended to be cooled by a cold source SF to form, within the enclosure, a condenser, the sealed enclosure delimiting an adiabatic zone between the evaporator and the condenser, the sealed enclosure comprising a stack of plates in a second direction, orthogonal to the first direction, two of which closing plates and at least a number of n modules on top of each other with n being an integer greater than or equal to 1, each module comprising at least one intermediate plate between the closing plates, the intermediate plate(s) comprising at least one first intermediate plate comprising at least one window whose edges partially delimit at least one vapor channel extending along the first direction (X) between the evaporator and the condenser, in which the vapor is intended to circulate, and on at least one lateral side of the window in a third direction (Y) orthogonal to the first (X) and second direction (Z), at least one structure whose edges partly delimit at least one liquid channel in the evaporator and the condenser , the heat pipe comprising, at least in the evaporator, at least one exchange zone defining a liquid-vapor interface and delimited between the at least one intermediate plate and at least one other intermediate plate or a closing plate, connecting the ( s) vapor channel(s) and the liquid channel(s), each exchange zone comprising at least one connecting channel opening out.

Selon l'invention, au moins une partie des canaux de liaison débouchant de l'évaporateur logeant chacun un insert en matériau poreux qui s'étend au moins en partie dans le(s) canal(ux) liquide(s) et dans le(s) canal(ux) vapeur, l'insert poreux étant adapté pour amener par capillarité le liquide depuis le(s) canal(ux) liquide(s) jusqu'au(x) canal(ux) vapeur dans lequel(lesquels) il s'évapore.According to the invention, at least part of the connecting channels opening out from the evaporator each housing an insert made of porous material which extends at least partly into the liquid channel(s) and into the ( s) vapor channel(s), the porous insert being adapted to bring the liquid by capillary action from the liquid channel(s) to the vapor channel(s) in which it evaporates.

Selon une configuration avantageuse, le condenseur du caloduc comprend également au moins une zone d'échange définissant une interface liquide-vapeur et délimitée entre la au moins une plaque intercalaire et au moins une autre plaque intercalaire ou une plaque de fermeture, reliant le(s) canal(ux) vapeur(s) et le(s) canal(ux) liquide(s), chaque zone d'échange comprenant au moins un canal de liaison débouchant, au moins une partie des canaux de liaison débouchant du condenseur logeant chacun un insert en matériau poreux qui s'étend au moins en partie dans le(s) canal(ux) liquide(s) et dans le(s) canal(ux) vapeur, l'insert poreux étant adapté pour condenser la vapeur dans le(s) canal(ux) vapeur et amener par capillarité le liquide condensé vers le canal liquide.According to an advantageous configuration, the condenser of the heat pipe also comprises at least one exchange zone defining a liquid-vapor interface and delimited between the at least one intermediate plate and at least one other intermediate plate or a closing plate, connecting the(s) ) vapor channel(s) and the liquid channel(s), each exchange zone comprising at least one connecting channel emerging, at least part of the connecting channels emerging from the condenser housing each an insert made of porous material which extends at least partly into the liquid channel(s) and into the vapor channel(s), the porous insert being adapted to condense the vapor in the (s) steam channel(s) and bring the condensed liquid by capillary action to the liquid channel.

Les inserts poreux à l'évaporateur peuvent être réalisés dans le même matériau constitutif, avoir la même forme et/ou les mêmes dimensions que les inserts poreux au condenseur.The porous inserts in the evaporator can be made of the same constituent material, have the same shape and/or the same dimensions as the porous inserts in the condenser.

Selon une autre configuration avantageuse, la zone adiabatique du caloduc comprend au moins une zone d'échange entre le(s) canal(ux) vapeur(s) et le(s) canal(ux) liquide(s), définissant une interface liquide-vapeur et délimitée entre la au moins une plaque intercalaire et au moins une autre plaque intercalaire ou une plaque de fermeture, chaque zone d'échange comprenant au moins un canal de liaison débouchant exempt d'insert.According to another advantageous configuration, the adiabatic zone of the heat pipe comprises at least one exchange zone between the vapor channel(s) and the liquid channel(s), defining a liquid interface. -steam and delimited between the at least one intermediate plate and at least one other intermediate plate or a closing plate, each exchange zone comprising at least one connecting channel opening out free of insert.

On peut combiner ces deux configurations et donc avoir des inserts poreux dans l'évaporateur et dans le condenseur du caloduc tout en ayant une zone adiabatique exempte d'inserts poreux. De préférence, les canaux liquides sont présents dans toutes les zones du caloduc (évaporateur, zone adiabatique, condenseur), afin de minimiser la perte de pression du retour de liquide.We can combine these two configurations and therefore have porous inserts in the evaporator and in the condenser of the heat pipe while having an adiabatic zone free of porous inserts. Preferably, the liquid channels are present in all zones of the heat pipe (evaporator, adiabatic zone, condenser), in order to minimize the pressure loss of the liquid return.

Avantageusement, l'insert poreux de l'évaporateur et le cas échéant du condenseur s'étend(ent) sur toute la largeur du canal vapeur selon la troisième direction (Y).Advantageously, the porous insert of the evaporator and, where applicable, the condenser extends over the entire width of the vapor channel in the third direction (Y).

Avantageusement encore, l'insert poreux de l'évaporateur et le cas échéant du condenseur s'étend(ent) sur toute la largeur du canal liquide selon la troisième direction (Y).Advantageously, the porous insert of the evaporator and, where appropriate, the condenser extends over the entire width of the liquid channel in the third direction (Y).

Selon une variante de réalisation avantageuse, l'insert poreux a la forme d'une feuille plane. Selon un mode de réalisation avantageux, au moins une partie des plaques intercalaires comprend, dans l'évaporateur et le cas échéant dans le condenseur, au moins une encoche longitudinale s'étendant selon la première direction (X) formant une surface d'appui et de maintien de la feuille plane poreuse.According to an advantageous alternative embodiment, the porous insert has the shape of a flat sheet. According to an advantageous embodiment, at least part of the intermediate plates comprises, in the evaporator and where appropriate in the condenser, at least one longitudinal notch extending in the first direction (X) forming a support surface and maintaining the porous flat sheet.

De préférence, le matériau constitutif d'un insert poreux est à base de graphite, de préférence non mouillable par un métal d'apport pour brasage. Un tel matériau a pour avantage d'avoir une porosité et une conductivité thermique élevées, une masse volumique faible et est légèrement compressible. De plus, il n'est pas mouillable par l'alliage eutectique d'aluminium lors d'un procédé d'assemblage des plaques de l'empilement par brasure eutectique. A contrario, il est parfaitement mouillable avec l'ammoniac, qui est un fluide référence pour le remplissage de l'enceinte du caloduc. On peut citer par exemple les feuilles de graphite commercialisées sous la dénomination SIGRACET® ou encore celle sous la dénomination AvCarb®.Preferably, the material constituting a porous insert is based on graphite, preferably not wettable by a brazing filler metal. Such a material has the advantage of having high porosity and thermal conductivity, low density and is slightly compressible. In addition, it is not wettable by the eutectic aluminum alloy during a process of assembling the plates of the stack by eutectic brazing. Conversely, it is perfectly wettable with ammonia, which is a reference fluid for filling the heat pipe enclosure. We can cite, for example, graphite sheets marketed under the name SIGRACET ® or even that under the name AvCarb ® .

De préférence, la largeur d'un insert poreux est comprise entre 0,1 et 1mm, de préférence de l'ordre de 0,6mm. Cette largeur détermine son épaisseur et est avantageusement légèrement supérieure ou égale à la largeur des canaux de liaison, de manière à assurer une continuité de l'écoulement du liquide, et simplifier la réalisation des plaques intercalaires.Preferably, the width of a porous insert is between 0.1 and 1mm, preferably of the order of 0.6mm. This width determines its thickness and is advantageously slightly greater than or equal to the width of the connecting channels, so as to ensure continuity of the flow of the liquid, and simplify the production of the intermediate plates.

De manière générale, l'insert poreux est compressible et légèrement plus épais que la largeur des canaux de liaison dans le plan YZ de sorte à assurer un bon calage dans les plaques intercalaires. Un bon calage permet un bon contact thermique avec les plaques et par là une conduction efficace de la chaleur entre l'entrée du flux de chaleur sur les plaques et la zone d'évaporation sur les faces de l'insert poreux dans le canal vapeur.Generally speaking, the porous insert is compressible and slightly thicker than the width of the connecting channels in the YZ plane so as to ensure good wedging in the spacer plates. Good wedging allows good thermal contact with the plates and thereby efficient conduction of heat between the entry of the heat flow on the plates and the evaporation zone on the faces of the porous insert in the steam channel.

Dans la configuration du cas où le condenseur loge également un ou plusieurs inserts poreux, le flux de chaleur s'applique entre les faces de chaque insert poreux dans le canal vapeur, et l'extraction du flux de chaleur se fait par les faces extérieures du caloduc.In the configuration of the case where the condenser also houses one or more porous inserts, the heat flow is applied between the faces of each porous insert in the steam channel, and the extraction of the heat flow is done through the exterior faces of the heat pipe.

De préférence encore, la taille moyenne des pores d'un insert poreux est comprise entre 1 et 100 µm, de préférence de l'ordre de 50 µm.More preferably, the average size of the pores of a porous insert is between 1 and 100 µm, preferably of the order of 50 µm.

Le matériau constitutif des plaques formant l'enceinte étanche est de préférence choisi parmi l'aluminium, le cuivre, le nickel, ou un alliage à base d'au moins deux de ceux-ci. Le ou les matériaux utilisés pour la fabrication du caloduc sont choisis en fonction des contraintes de masse, d'assemblage, de la robustesse requise, de la compatibilité avec le fluide...The material constituting the plates forming the sealed enclosure is preferably chosen from aluminum, copper, nickel, or an alloy based on at least two of these. The material(s) used for the manufacture of the heat pipe are chosen according to the constraints of mass, assembly, required robustness, compatibility with the fluid, etc.

La technique d'assemblage des tôles dépend du matériau.The sheet metal assembly technique depends on the material.

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 laser, la soudure par friction-malaxage (« Friction Stir Welding » en langage anglo-saxon), le collage...For example, in the case of aluminum alloy plates, vacuum brazing with clad plates, salt bath brazing, inert gas brazing, ultrasonic welding, laser welding, gas welding can be used. friction-kneading (“Friction Stir Welding” in Anglo-Saxon language), bonding...

Dans le cas de plaque en cuivre, en acier inoxydable ou en superalliage, on peut utiliser la soudure diffusion, la soudure laser, la brasure diffusion, le collage...In the case of copper, stainless steel or superalloy plates, diffusion welding, laser welding, diffusion soldering, bonding, etc. can be used.

Dans le cas de plaques en aciers inoxydables, super alliages, on peut utiliser la soudure diffusion, la soudure laser, la brasure diffusion, le collage...In the case of stainless steel plates, super alloys, diffusion welding, laser welding, diffusion brazing, bonding, etc. can be used.

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.For example, the assembly of aluminum alloy plates is obtained by eutectic brazing. In a known manner, aluminum alloy plates are used, one or both faces of which is or are coated with an aluminum alloy with a lower melting point.

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 sur une ou les deux faces. 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. Le brasage est réalisé de préférence sous pression grâce à un système de maintien mécanique, qui maintient en pression l'empilement pendant le brasage en four sous vide. Des découpes et/ou des pliages sont requis dans le procédé de fabrication pour alléger et/ou mettre en forme la structure. Ils sont de préférence réalisés après l'assemblage. Il est à noter que la découpe des fenêtres dans les plaques, par exemple les fenêtres centrales, est réalisée avant assemblage.For example, a sheet of alloy from the AA3xxxx series is used at the core, with a coating with a eutectic alloy from the AA4xxxx series comprising silicon with a lower melting point. merger. The coating is typically done using 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 on one or both sides. By hot pressing two aluminum plates coated in this way at a temperature higher than the melting temperature of the eutectic, but lower than the temperature of the core alloy, the surface eutectic alloy melts and forms a solder alloy. waterproof assembly between the two plates. Brazing is preferably carried out under pressure using a mechanical holding system, which maintains the stack under pressure during brazing in a vacuum furnace. Cutting and/or folding is required in the manufacturing process to lighten and/or shape the structure. They are preferably made after assembly. It should be noted that the cutting of the windows in the plates, for example the central windows, is carried out before assembly.

Le procédé de réalisation d'un caloduc selon l'invention peut avantageusement consister en les étapes suivantes :

  • Etape a/ : Des plaques en un matériau donné sont découpées suivant la forme extérieure souhaitée pour le caloduc. Les inserts poreux sont également découpés, avantageusement sous forme de feuilles planes.
  • Etape b/ : Les plaques intercalaires sont structurées, par exemple par poinçonnage, usinage, découpe laser, par découpe au jet d'eau ou par gravure chimique traversante...afin de réaliser les fenêtres spécifiques dans les différentes plaques, de sorte qu'une fois assemblées un caloduc à rainures réentrantes soit formé.
  • Etape c/ : Les plaques sont ensuite empilées dans un ordre donné, en alternant entre deux plaques intercalaires un insert poreux à l'évaporateur et le cas échéant au condenseur. Puis deux plaques de fermeture sont disposées aux extrémités de l'empilement pour fermer le ou les canaux. L'empilement est réalisé de sorte à ce qu'un insert poreux soit pris en sandwich entre deux plaques intercalaires ou entre une plaque intercalaire et une plaque de fermeture, de préférence en étant comprimé. Eventuellement des canaux de refroidissement sont prévus sur une ou les deux faces de l'empilement.
  • Etape d/ : Les plaques sont alors assemblées entre elles selon une technique d'assemblage choisie en fonction du ou des matériaux des plaques, par exemple soudage, brasage, collage...L'assemblage final des plaques est étanche. Le ou les matériaux des plaques est ou sont choisis en fonction du fluide de travail, qui est lui-même choisi en fonction des spécifications de thermalisation du système à réaliser.
  • Etape e/ : Le caloduc est ensuite rempli. Afin de remplir le caloduc du fluide de travail, on peut utiliser un queusot de remplissage inséré sur la tranche de l'enceinte. On peut également utiliser un queusot fixé sur un orifice ménagé à travers l'une ou l'autre des plaques de fermeture, et perpendiculairement à celle-ci. 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.
The process for producing a heat pipe according to the invention can advantageously consist of the following steps:
  • Step a/ : Plates of a given material are cut according to the desired external shape for the heat pipe. The porous inserts are also cut, advantageously in the form of flat sheets.
  • Step b/ : The intermediate plates are structured, for example by punching, machining, laser cutting, by water jet cutting or by through chemical etching...in order to produce specific windows in the different plates, so that once assembled, a heat pipe with reentrant grooves is formed.
  • Step c/ : The plates are then stacked in a given order, alternating between two interposed plates a porous insert at the evaporator and if necessary at the condenser. Then two closing plates are placed at the ends of the stack to close the channel(s). The stack is made so that a porous insert is sandwiched between two intermediate plates or between an intermediate plate and a closing plate, preferably while being compressed. Cooling channels may be provided on one or both sides of the stack.
  • Step d/: The plates are then assembled together using an assembly technique chosen according to the material(s) of the plates, for example welding, brazing, gluing, etc. The final assembly of the plates is watertight. The material(s) of the plates is or are chosen according to the working fluid, which is itself chosen according to the thermalization specifications of the system to be produced.
  • Step e/ : The heat pipe is then filled. In order to fill the heat pipe with the working fluid, you can use a filling plug inserted on the edge of the enclosure. It is also possible to use a tail fixed to an orifice made through one or the other of the closing plates, and perpendicular to it. The fluid is chosen based on the operating conditions of the heat pipe (operating temperature, etc.) and compatibility with the heat pipe material(s).

Selon une ou plusieurs caractéristiques avantageuses qui peuvent être combinées entre elles :

  • les plaques intercalaires présentent une épaisseur comprise entre 0,5 à 6mm, de préférence de l'ordre de 2mm,
  • les plaques de fermeture présentent une épaisseur comprise entre 1 et 3mm, de préférence de l'ordre de 2mm,
  • la largeur dans le plan YZ d'un canal de liaison est comprise entre 0,1 et 1mm, de préférence de l'ordre de 0,2mm,
  • l'épaisseur de structuration dans le plan YZ délimitant l'espace entre deux canaux de liaison adjacents est comprise entre 0,2 et 2mm, de préférence de l'ordre de 0,4mm,
  • la largeur dans le plan YZ d'un canal liquide est comprise entre 0,5 et 4mm, de préférence de l'ordre de 3mm.
According to one or more advantageous characteristics which can be combined with each other:
  • the intermediate plates have a thickness of between 0.5 to 6mm, preferably of the order of 2mm,
  • the closing plates have a thickness of between 1 and 3mm, preferably of the order of 2mm,
  • the width in the YZ plane of a connecting channel is between 0.1 and 1mm, preferably of the order of 0.2mm,
  • the structuring thickness in the YZ plane delimiting the space between two adjacent connecting channels is between 0.2 and 2mm, preferably of the order of 0.4mm,
  • the width in the YZ plane of a liquid channel is between 0.5 and 4mm, preferably of the order of 3mm.

Selon une configuration avantageuse, le caloduc comporte n modules les uns sur les autres, n étant un entier supérieur ou égal à 1, définissant un canal vapeur unique et n canaux liquides sur au moins un côté latéral, notamment sur chaque côté latéral du canal vapeur. De préférence, le caloduc comprend un canal vapeur unique central agencé entre n canaux liquides répartis latéralement de part et d'autre du canal vapeur.According to an advantageous configuration, the heat pipe comprises n modules one on top of the other, n being an integer greater than or equal to 1, defining a single vapor channel and n liquid channels on at least one lateral side, in particular on each lateral side of the vapor channel . Preferably, the heat pipe comprises a single central vapor channel arranged between n liquid channels distributed laterally on either side of the vapor channel.

Selon une variante de réalisation avantageuse, au moins une des plaques d'extrémité présente une surface supérieure à celle des plaques intermédiaires dans une direction transversale à celle (Z) de l'empilement de sorte à former des diffuseurs thermiques. Avec de tels diffuseurs thermiques, le flux de chaleur entrant et sortant du caloduc est étalé sur une plus grande surface et réduit localement la densité de flux maximale qui serait atteinte sans diffuseur .According to an advantageous alternative embodiment, at least one of the end plates has a surface greater than that of the intermediate plates in a direction transverse to that (Z) of the stack so as to form thermal diffusers. With such thermal diffusers, the heat flow into and out of the heat pipe is spread over a larger area and locally reduces the maximum flux density that would be achieved without a diffuser.

Selon une autre variante de réalisation avantageuse, la section transversale dans le plan XY de l'évaporateur intégrant l'insert poreux et/ou celle du condenseur, de préférence rectangulaire, est supérieure à celle de la zone adiabatique du caloduc. Dans le cas d'un flux de chaleur perpendiculaire au plan principal des plaques, cette variante permet d'augmenter la surface d'échange à l'évaporateur et/ou au condenseur et donc minimiser les résistances thermiques externes, tout en limitant l'augmentation de masse du caloduc.According to another advantageous embodiment, the cross section in the XY plane of the evaporator integrating the porous insert and/or that of the condenser, preferably rectangular, is greater than that of the adiabatic zone of the heat pipe. In the case of a heat flow perpendicular to the main plane of the plates, this variant makes it possible to increase the exchange surface at the evaporator and/or condenser and therefore minimize external thermal resistance, while limiting the increase mass of the heat pipe.

Dans le cas d'un flux de chaleur parallèle au plan des plaques, la taille des canaux liquides et/ou vapeur dans le plan YZ peut être augmentée, permettant d'augmenter la limite capillaire du caloduc.In the case of a heat flow parallel to the plane of the plates, the size of the liquid and/or vapor channels in the YZ plane can be increased, making it possible to increase the capillary limit of the heat pipe.

En cas d'absence de canaux liquides sous un insert poreux, mais uniquement un retour capillaire du liquide dans l'insert poreux, il est préférable d'augmenter la largeur d'un insert poreux dans la zone liquide, afin de limiter les pertes de pression dans celui-ci.If there are no liquid channels under a porous insert, but only a capillary return of the liquid in the porous insert, it is preferable to increase the width of a porous insert in the liquid zone, in order to limit losses of pressure in it.

Selon encore une autre variante de réalisation avantageuse les structurations de l'évaporateur et le cas échéant du condenseur comprennent une pluralité de plots répartis, de préférence uniformément, le long de la première direction (X). Ces plots permettent de minimiser la perte de pression dans un insert poreux, tout en assurant un maintien mécanique de ce dernier. Cette variante avec plots peut être réalisée pour des configurations avec canaux liquides sur les côtés de l'enceinte du caloduc ou dans la partie centrale de celle-ci.According to yet another advantageous embodiment, the structures of the evaporator and where appropriate the condenser comprise a plurality of pads distributed, preferably uniformly, along the first direction (X). These pads make it possible to minimize the pressure loss in a porous insert, while ensuring mechanical support of the latter. This variant with pads can be made for configurations with liquid channels on the sides of the heat pipe enclosure or in the central part thereof.

Selon un mode de réalisation avantageux, le caloduc comprend 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 comportant avantageusement une ou plusieurs ailettes en contact thermique avec au moins une des plaques de fermeture.According to an advantageous embodiment, the heat pipe comprises heat exchange means at the first end and/or second end, the heat exchange means at the second end advantageously comprising one or more fins in thermal contact with at least one of the closing plates.

Selon ce mode, les moyens d'échange thermique peuvent comprendre un circuit fluidique en contact thermique avec au moins une des plaques de fermeture, 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.According to this mode, the heat exchange means may comprise a fluidic circuit in thermal contact with at least one of the closing plates, said circuit being formed by a plate structured so as to delimit channels, said channels being closed by said closing plate. closure and an additional closure plate, the heat exchange means also comprising means for supplying heat transfer fluid to said fluid circuit.

De manière générale, on peut intégrer au sein même du caloduc au niveau de l'évaporateur et/ou du condenseur un circuit fluidique formant la source chaude et/ou la source froide. Ce circuit prendra la forme d'une tôle de fermeture plissée ou ajourée afin de former un radiateur à air intégral. Alternativement, il peut prendre la forme d'un circuit liquide ou diphasique formant la source chaude et/ou froide.In general, it is possible to integrate within the heat pipe itself at the level of the evaporator and/or the condenser a fluidic circuit forming the hot source and/or the cold source. This circuit will take the form of a pleated or perforated closing sheet to form a radiator full air. Alternatively, it can take the form of a liquid or two-phase circuit forming the hot and/or cold source.

Avantageusement, la section transversale dans le plan YZ du canal vapeur et du(des) canal(ux) liquide(s), de préférence rectangulaire, est constante sur toute la longueur du caloduc.Advantageously, the cross section in the YZ plane of the vapor channel and the liquid channel(s), preferably rectangular, is constant over the entire length of the heat pipe.

Selon une variante de réalisation, des découpes des canaux de liaison étroits peuvent être réalisées droites, ou avec une forme ondulée ou en dent de scie sur tout ou partie de la longueur des canaux. Une telle forme permet d'obtenir des parois non mouillées par le film de condensation, dans le condenseur du caloduc, aux sommets des ondulations ou dents de scie. Cela permet également d'augmenter le coefficient d'échange en condensation en minimisant la résistance d'interface du film de condensation.According to an alternative embodiment, cutouts of the narrow connecting channels can be made straight, or with a wavy or sawtooth shape over all or part of the length of the channels. Such a shape makes it possible to obtain walls not wetted by the condensation film, in the condenser of the heat pipe, at the tops of the undulations or saw teeth. This also makes it possible to increase the exchange coefficient in condensation by minimizing the interface resistance of the condensation film.

L'invention a également pour objet un système comprenant :

  • une source froide (SF) ;
  • une source chaude (SC) et
  • au moins un caloduc à rainures réentrantes tel que décrit précédemment, le caloduc étant agencé de sorte que le flux de chaleur (φE ) de la source chaude (SC) sur l'évaporateur soit sur au moins une face latérale de l'enceinte en regard du canal vapeur ou sur au moins une face latérale en regard du(des) canal(ux) liquide(s), tandis que l'extraction de chaleur au condenseur vers la source froide (SF) est sur au moins une face latérale de l'enceinte en regard du(des) canal(ux) liquide(s), ou sur une face latérale perpendiculaire à celui-ci (ceux-ci).
The invention also relates to a system comprising:
  • a cold source (SF);
  • a hot spring (SC) and
  • at least one heat pipe with reentrant grooves as described above, the heat pipe being arranged so that the heat flow (φ E ) from the hot source (SC) on the evaporator is on at least one side face of the enclosure in facing the vapor channel or on at least one side face facing the liquid channel(s), while the heat extraction from the condenser towards the cold source (SF) is on at least one side face of the enclosure facing the liquid channel(s), or on a side face perpendicular to it (these).

Un même caloduc selon l'invention peut être mis en oeuvre pour réaliser un contrôle thermique, un transfert de chaleur, un refroidissement de composant... La source de chaleur peut donc être par exemple un composant électrique ou électronique, un stockage de chaleur, un réacteur chimique exothermique, les puits de chaleur d'ailettes en convection forcée, des plaques froides en écoulement mono ou diphasique, un stockage de froid, une réaction chimique endothermique...The same heat pipe according to the invention can be used to carry out thermal control, heat transfer, component cooling, etc. The heat source can therefore be for example an electrical or electronic component, heat storage, an exothermic chemical reactor, fin heat sinks in forced convection, cold plates in single or two-phase flow, cold storage, an endothermic chemical reaction, etc.

La source froide peut être constituée d'un radiateur en convection naturelle ou forcée.The cold source can consist of a radiator with natural or forced convection.

On peut envisager différentes technologies de radiateur : ailettes plissées, ailettes extrudées, ailettes skivées, ailettes picots, ailettes moulées, ailettes fixées par moletage, ailettes réalisées par impression 3D, ou toute autre ailette obtenue par une technique de réalisation d'extension de surface connue de l'homme de l'art.We can consider different radiator technologies: pleated fins, extruded fins, skived fins, pinned fins, molded fins, fins fixed by knurling, fins made by 3D printing, or any other fin obtained by a production technique of surface extension known to those skilled in the art.

Un ou des radiateurs à ailettes tels que décrits ci-dessus peuvent être mis en oeuvre dans un caloduc selon l'invention, monocanal ou multicanaux droit ou présentant toute autre forme.One or more finned radiators as described above can be used in a heat pipe according to the invention, straight single-channel or multi-channel or having any other shape.

Ainsi, l'invention consiste essentiellement à proposer un caloduc dont au moins l'évaporateur intègre en son sein un insert poreux qui s'étend dans un canal de liaison entre canal vapeur et canal(ux) liquide(s).Thus, the invention essentially consists of proposing a heat pipe of which at least the evaporator integrates within it a porous insert which extends in a connecting channel between the vapor channel and the liquid channel(s).

La réalisation d'un tel caloduc est mise en oeuvre avec un procédé comme selon la demande de brevet EP3553445 , qui consiste à empiler puis assembler entre elles par collage, soudage, de préférence par brasage sous vide, des plaques métalliques poinçonnées ou usinées pour définir les différents canaux de caloduc. Les inserts poreux selon l'invention ne modifient pas le process d'assemblage, puisqu'ils s'intercalent directement en alternance avec les plaques dans l'empilement qui est assemblé.The production of such a heat pipe is implemented with a process as according to the patent application EP3553445 , which consists of stacking and then assembling together by gluing, welding, preferably by vacuum brazing, punched or machined metal plates to define the different heat pipe channels. The porous inserts according to the invention do not modify the assembly process, since they are inserted directly in alternation with the plates in the stack which is assembled.

L'invention trouve particulièrement une application dans le domaine spatial.The invention particularly finds application in the space domain.

Pour un caloduc configuré pour une application dans le domaine spatial, les contraintes rencontrées sont de plusieurs types qui peuvent être énumérés comme suit :

  • à l'évaporateur, généralement de faible longueur, il est requis des flux radiaux élevés à cause des composants électroniques que l'on cherche à refroidir, dont les densités de puissance ne cessent d'augmenter. De plus, il faut une résistance thermique faible et, afin d'assurer une pression motrice au caloduc, il faut une pression capillaire élevée assurée par un faible rayon capillaire à l'interface liquide/vapeur ;
  • dans la zone adiabatique, généralement de grande longueur, il faut limiter les pertes de pression dans le canal vapeur et dans les canaux liquides, afin d'avoir une limite capillaire de transport de chaleur axiale élevée.
  • au condenseur, qui peut être également de grande longueur, il faut également limiter les pertes de pression, mais aussi assurer une condensation efficace pour minimiser la résistance thermique dans cette zone.
For a heat pipe configured for an application in the space domain, the constraints encountered are of several types which can be listed as follows:
  • at the evaporator, generally of short length, high radial flows are required because of the electronic components that we seek to cool, whose power densities continue to increase. In addition, low thermal resistance is required and, in order to ensure a driving pressure to the heat pipe, a high capillary pressure is required ensured by a small capillary radius at the liquid/vapor interface;
  • in the adiabatic zone, generally of great length, it is necessary to limit the pressure losses in the vapor channel and in the liquid channels, in order to have a high capillary limit for axial heat transport.
  • at the condenser, which can also be of great length, it is also necessary to limit pressure losses, but also to ensure effective condensation to minimize thermal resistance in this area.

L'invention décrite ici permet de répondre à ces contraintes, en permettant des configurations différentes dans chaque zone de caloduc afin de l'optimiser au mieux suivant les critères de performance recherchés.The invention described here makes it possible to respond to these constraints, by allowing different configurations in each heat pipe zone in order to optimize it as best as possible according to the desired performance criteria.

Plus particulièrement, les inserts poreux insérés longitudinalement dans l'évaporateur du caloduc, vont permettre de transporter par capillarité le liquide entre le(s) canal(ux) liquide(s) et le canal vapeur. L'évaporation du liquide en surface d'un insert poreux permet l'obtention d'une pression capillaire élevée, tout en assurant un flux de chaleur surfacique plus élevé qu'un caloduc à rainures réentrantes ou à capillaire fritté, selon l'état de l'art.More particularly, the porous inserts inserted longitudinally in the evaporator of the heat pipe will allow the liquid to be transported by capillary action between the liquid channel(s) and the vapor channel. The evaporation of the liquid on the surface of a porous insert allows obtaining a high capillary pressure, while ensuring a higher surface heat flow than a heat pipe with reentrant grooves or a sintered capillary, according to the state of the art.

Par exemple, la limite pratique de flux thermique surfacique avec un caloduc rempli d'ammoniac, à rainures réentrantes selon l'état de l'art est de l'ordre de 15 W/cm2. Avec un caloduc selon l'invention, cette limite pratique peut monter à plus de 50 W/cm2.For example, the practical limit of surface heat flux with a heat pipe filled with ammonia, with reentrant grooves according to the state of the art is of the order of 15 W/cm 2 . With a heat pipe according to the invention, this practical limit can rise to more than 50 W/cm 2 .

La résistance thermique est également améliorée dans l'évaporateur grâce à une plus grande surface d'évaporation du liquide.Thermal resistance is also improved in the evaporator thanks to a larger liquid evaporation surface.

Dans les zones évaporateur et éventuellement condenseur, il existe des canaux liquides, la circulation de liquide dans le poreux se faisant uniquement sur les petites distances entre canal liquide et canal vapeur, permettant de limiter les pertes de charges dans le poreux.In the evaporator and possibly condenser zones, there are liquid channels, the circulation of liquid in the porous taking place only over the small distances between liquid channel and vapor channel, making it possible to limit pressure losses in the porous.

Dans la zone adiabatique, il n'y a pas de poreux, des rainures longitudinales définissant les canaux de liaison permettent quant à eux de minimiser la perte de pression du liquide, même sur de grandes distances.In the adiabatic zone, there are no porous parts; longitudinal grooves defining the connecting channels make it possible to minimize the loss of liquid pressure, even over large distances.

Le fait d'agencer également des inserts poreux longitudinalement dans le condenseur permet de réduire la résistance thermique dans cette zone, même si cela peut se faire au détriment d'une perte de charge liquide augmentée dans cette zone.Also arranging porous inserts longitudinally in the condenser makes it possible to reduce the thermal resistance in this zone, even if this can be done at the expense of an increased liquid pressure loss in this zone.

En outre, un caloduc selon l'invention présente une pression capillaire élevée grâce à la faible taille des pores d'un insert poreux. Et donc, il est susceptible de fonctionner sans gravité, voire même contre la gravité. Cela rend le caloduc selon l'invention particulièrement adapté pour des missions spatiales à proximité d'objets célestes où il peut exister une gravité non nulle (lune, mars, astéroïdes...).Furthermore, a heat pipe according to the invention has a high capillary pressure thanks to the small pore size of a porous insert. And so, it is likely to work without gravity, or even against gravity. This makes the heat pipe according to the invention particularly suitable for space missions near celestial objects where there may be non-zero gravity (moon, mars, asteroids, etc.).

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes.Other advantages and characteristics will become clearer on reading the detailed description, given for illustrative and non-limiting purposes, with reference to the following figures.

Brève description des dessinsBrief description of the drawings

  • [Fig 1] la figure 1 illustre la courbe délimitant le domaine de fonctionnement pour un exemple de caloduc à pompage capillaire.[ Figure 1 ] there figure 1 illustrates the curve delimiting the operating range for an example of a capillary pumped heat pipe.
  • [Fig 2] la figure 2 est une représentation symbolique d'un réseau de résistances thermiques qui s'établissent pour un caloduc.[ Figure 2 ] there figure 2 is a symbolic representation of a network of thermal resistors that are established for a heat pipe.
  • [Fig 3] la figure 3 est une vue schématique d'un caloduc à artère selon l'état de l'art (Exemple 1).[ Figure 3 ] there Figure 3 is a schematic view of an artery heat pipe according to the state of the art (Example 1).
  • [Fig 3A], [Fig 3B] les figures 3A et 3B sont des vues en coupe transversale de la figure 3, respectivement au niveau de l'évaporateur et du condenseur du caloduc à artère selon l'état de l'art (Exemple 1).[ Fig 3A ], [ Fig 3B ] THE figures 3A And 3B are cross-sectional views of the Figure 3 , respectively at the level of the evaporator and the condenser of the artery heat pipe according to the state of the art (Example 1).
  • [Fig 4] la figure 4 est une vue en coupe transversale d'une variante de caloduc à artères selon l'état de l'art.[ Figure 4 ] there Figure 4 is a cross-sectional view of a variant of the arterial heat pipe according to the state of the art.
  • [Fig 5] la figure 5 est une reproduction photographique d'un exemple de caloduc à rainures réentrantes à section transversale en Oméga selon l'état de l'art (Exemple 1).[ Figure 5 ] there Figure 5 is a photographic reproduction of an example of a heat pipe with reentrant grooves with an Omega cross section according to the state of the art (Example 1).
  • [Fig 6] la figure 6 est une vue schématique de côté d'un caloduc à rainures réentrantes, selon l'état de l'art (Exemple 2).[ Figure 6 ] there Figure 6 is a schematic side view of a heat pipe with reentrant grooves, according to the state of the art (Example 2).
  • [Fig 7] la figure 7 est une vue en perspective et coupe transversale de la figure 6, au niveau de l'évaporateur du caloduc à rainures réentrantes selon la demande de brevet EP3553445 (Exemple 2).[ Figure 7 ] there Figure 7 is a perspective and cross-sectional view of the Figure 6 , at the level of the evaporator of the heat pipe with reentrant grooves according to the patent application EP3553445 (Example 2).
  • [Fig 8] la figure 8 est une vue de détail et en coupe transversale de la figure 7.[ Figure 8 ] there figure 8 is a detailed and cross-sectional view of the Figure 7 .
  • [Fig 9] la figure 9 est une vue en éclaté d'un caloduc à rainures réentrantes à canaux de liaison transversaux réalisé par empilement de plaques métalliques assemblées, avec des inserts poreux à l'évaporateur, selon un troisième exemple de l'invention avec un rapport d'aspect de caloduc carré.[ Figure 9 ] there Figure 9 is an exploded view of a heat pipe with reentrant grooves with transverse connecting channels produced by stacking assembled metal plates, with porous inserts at the evaporator, according to a third example of the invention with a heat pipe aspect ratio square.
  • [Fig 10] la figure 10 est une vue de détail et en coupe transversale de la figure 9, au niveau de l'évaporateur, selon le troisième exemple de l'invention.[ Figure 10 ] there Figure 10 is a detailed and cross-sectional view of the Figure 9 , at the level of the evaporator, according to the third example of the invention.
  • [Fig 11] la figure 11 est une vue de détail et en coupe transversale selon un troisième exemple de l'invention , au niveau du condenseur et de la zone adiabatique du caloduc.[ Figure 11 ] there Figure 11 is a detailed and cross-sectional view according to a third example of the invention, at the level of the condenser and the adiabatic zone of the heat pipe.
  • [Fig 12] la figure 12 est une vue de détail et en coupe transversale, au niveau de l'évaporateur, d'un caloduc à rainures réentrantes à canaux de liaison transversaux réalisé par empilement de plaques métalliques assemblées selon un quatrième exemple de l'invention, avec un rapport d'aspect du caloduc rectangulaire plat.[ Figure 12 ] there Figure 12 is a detailed view in cross section, at the level of the evaporator, of a heat pipe with reentrant grooves with transverse connecting channels produced by stacking metal plates assembled according to a fourth example of the invention, with a ratio of appearance of flat rectangular heat pipe.
  • [Fig 13] la figure 13 est une vue en éclaté d'un caloduc à rainures réentrantes à canaux de liaison transversaux réalisé par empilement de plaques métalliques assemblées selon un cinquième exemple de l'invention.[ Figure 13 ] there figure 13 is an exploded view of a heat pipe with reentrant grooves with transverse connecting channels produced by stacking metal plates assembled according to a fifth example of the invention.
  • [Fig 14] la figure 14 est une vue de détail et en coupe transversale de la figure 13, au niveau de l'évaporateur selon le cinquième exemple de l'invention.[ Figure 14 ] there Figure 14 is a detailed and cross-sectional view of the Figure 13 , at the level of the evaporator according to the fifth example of the invention.
  • [Fig 15] la figure 15 est une est une vue de détail et en coupe transversale, au niveau du condenseur et de la zone adiabatique du caloduc selon le cinquième exemple de l'invention.[ Figure 15 ] there Figure 15 is a detailed view in cross section, at the level of the condenser and the adiabatic zone of the heat pipe according to the fifth example of the invention.
  • [Fig 16] la figure 16 est une vue de détail et en coupe transversale, au niveau de l'évaporateur, d'un caloduc à rainures réentrantes à canaux de liaison transversaux réalisé par empilement de plaques métalliques assemblées selon un sixième exemple de l'invention.[ Figure 16 ] there Figure 16 is a detailed view in cross section, at the level of the evaporator, of a heat pipe with reentrant grooves with transverse connecting channels produced by stacking metal plates assembled according to a sixth example of the invention.
  • [Fig 17] la figure 17 illustre sous forme de courbes les limites capillaires des différents exemples de caloducs selon l'état de l'art et selon l'invention.[ Figure 17 ] there Figure 17 illustrates in the form of curves the capillary limits of the different examples of heat pipes according to the state of the art and according to the invention.
  • [Fig 18] la figure 18 est une vue en éclaté d'un caloduc à rainures réentrantes à canaux de liaison transversaux réalisé par empilement de plaques métalliques assemblées selon un autre mode de réalisation de l'invention.[ Figure 18 ] there Figure 18 is an exploded view of a heat pipe with reentrant grooves with transverse connecting channels produced by stacking metal plates assembled according to another embodiment of the invention.
  • [Fig 19] la figure 19 est une vue de détail et en coupe transversale de la figure 18, au niveau de l'évaporateur.[ Figure 19 ] there Figure 19 is a detailed and cross-sectional view of the Figure 18 , at the evaporator level.
  • [Fig 20] la figure 20 est une vue de détail et en coupe transversale de la figure 18, au niveau de la zone adiabatique du caloduc.[ Figure 20 ] there Figure 20 is a detailed and cross-sectional view of the Figure 18 , at the level of the adiabatic zone of the heat pipe.
  • [Fig 21] la figure 21 est une vue en perspective et de détail d'une variante de réalisation de l'évaporateur d'un caloduc selon l'invention, comprenant des diffuseurs de chaleur intégrés au niveau de l'évaporateur.[ Figure 21 ] there Figure 21 is a perspective and detail view of an alternative embodiment of the evaporator of a heat pipe according to the invention, comprising heat diffusers integrated at the level of the evaporator.
  • [Fig 22] la figure 22 est une vue en perspective et en éclaté, de détail d'une autre variante de réalisation de l'évaporateur d'un caloduc selon l'invention.[ Figure 22 ] there Figure 22 is a detailed perspective and exploded view of another alternative embodiment of the evaporator of a heat pipe according to the invention.
  • [Fig 23] la figure 23 est une vue en perspective et en éclaté, de détail d'une autre variante de réalisation de l'évaporateur d'un caloduc selon l'invention.[ Figure 23 ] there Figure 23 is a detailed perspective and exploded view of another alternative embodiment of the evaporator of a heat pipe according to the invention.
  • [Fig 24], [Fig 25] les figures 24 et 25 sont des vues en perspectives d'autres exemples de réalisation des canaux de liaison au niveau de la fenêtre centrale avec des plaques intercalaires d'un caloduc selon l'invention.[ Fig 24], [Fig 25 ] THE figures 24 and 25 are perspective views of other examples of embodiment of the connection channels at the level of the central window with intermediate plates of a heat pipe according to the invention.
  • [Fig 26] la figure 26 est une vue en perspective d'un autre exemple de réalisation d'un caloduc selon l'invention agencé dans plusieurs plans.[ Figure 26 ] there Figure 26 is a perspective view of another embodiment of a heat pipe according to the invention arranged in several planes.
  • [Fig 27A], [Fig 27B], [Fig 27C], [Fig 27D], [Fig 27E], [Fig 27F], [Fig 27G], [Fig 27H] les figures 27A à 27H sont des vues en perspective d'exemples d'ailettes applicables à un caloduc selon l'invention.[ Fig 27A ], [ Fig 27B], [Fig 27C], [Fig 27D ], [ Fig 27E], [Fig 27F], [Fig 27G ], [ Fig 27H ] THE figures 27A to 27H are perspective views of examples of fins applicable to a heat pipe according to the invention.
  • [Fig 28] la figure 28 est une vue éclatée d'un caloduc selon un exemple de réalisation comportant un échangeur thermique au niveau du condenseur.[ Figure 28 ] there Figure 28 is an exploded view of a heat pipe according to an exemplary embodiment comprising a heat exchanger at the level of the condenser.
Description détailléedetailed description

Les figures 1 à 4 ont déjà été commentées en préambule. Elles ne sont pas détaillées ci-après.THE figures 1 to 4 have already been commented on in the preamble. They are not detailed below.

Par souci de clarté, un même élément selon l'art antérieur et l'invention est désigné par la même référence numérique.For the sake of clarity, the same element according to the prior art and the invention is designated by the same numerical reference.

On précise ici que la référence SC utilisée dans les figures désigne la source chaude ou, par extension, la zone d'application du flux thermique émis par la source chaude directement sur la face latérale d'une enceinte de caloduc. ΦE désigne le flux de chaleur émis par la source chaude vers un caloduc, et ΦS désigne le flux thermique émis par un caloduc vers une source froide.It is specified here that the reference SC used in the figures designates the hot source or, by extension, the zone of application of the heat flux emitted by the hot source directly on the side face of a heat pipe enclosure. Φ E designates the heat flow emitted by the hot source towards a heat pipe, and Φ S designates the heat flow emitted by a heat pipe towards a cold source.

On décrit ci-après différents exemples de caloducs à rainures réentrantes selon l'état de l'art et selon l'invention afin de pouvoir comparer leurs performances, comme détaillés par la suite.We describe below different examples of heat pipes with reentrant grooves according to the state of the art and according to the invention in order to be able to compare their performances, as detailed below.

On précise que pour tous ces exemples, les canaux liquides sont présents à la fois dans l'évaporateur et dans le condenseur.We specify that for all these examples, the liquid channels are present both in the evaporator and in the condenser.

Tous les caloducs selon ces exemples présentent une même longueur totale, une même longueur d'évaporateur, une même longueur de la zone adiabatique, et une même longueur du condenseur.All the heat pipes according to these examples have the same total length, the same evaporator length, the same length of the adiabatic zone, and the same length of the condenser.

La section transversale externe définissant l'encombrement latéral de chaque caloduc selon ces exemples est égale à 13,2mm x 13,2mm.The external cross section defining the lateral dimensions of each heat pipe according to these examples is equal to 13.2mm x 13.2mm.

Exemple 1 (selon l'état de l'art) : le caloduc à rainures réentrantes 1 est obtenu par extrusion selon l'état de l'art avec des rainures réentrantes, tel que représenté sur la figure 5. Example 1 (according to the state of the art) : the heat pipe with reentrant grooves 1 is obtained by extrusion according to the state of the art with reentrant grooves, as shown in the Figure 5 .

L'évaporateur d'un tel caloduc 1, axisymétrique de forme générale cylindrique, comprend une paroi périphérique 10 dans laquelle sont réalisés une pluralité de canaux 11 à section transversale en forme générale d'Oméga, régulièrement répartis angulairement et débouchant par l'intermédiaire d'un canal de liaison 12 sur un creux central cylindrique 13 dans lequel circule la phase vapeur. La paroi périphérique 10 est en contact avec une source chaude (SC).The evaporator of such a heat pipe 1, axisymmetric of generally cylindrical shape, comprises a peripheral wall 10 in which are made a plurality of channels 11 with a cross section in the general shape of Omega, regularly distributed angularly and opening via a connecting channel 12 onto a central cylindrical hollow 13 in which the vapor phase circulates. The peripheral wall 10 is in contact with a hot source (SC).

Exemple 2 (selon l'état de l'art) : Sur les figures 6 à 8, on peut voir un exemple de caloduc 1 à pompage capillaire à rainures réentrantes réalisé selon la demande de brevet EP3553445 . Example 2 (according to the state of the art) : On the figures 6 to 8 , we can see an example of a heat pipe 1 with capillary pumping with reentrant grooves produced according to the patent application EP3553445 .

Cet exemple de caloduc 1 à pompage capillaire s'étendant selon un axe longitudinal X est vu de l'extérieur sur la figure 6.This example of heat pipe 1 with capillary pumping extending along a longitudinal axis Figure 6 .

Le caloduc 1 comporte une enceinte étanche 2 s'étendant selon l'axe longitudinal X entre une première extrémité longitudinale 3 et une deuxième extrémité longitudinale 4. La première extrémité 3 est par exemple destinée à être à être échauffée par une source chaude SC pour former au sein de l'enceinte un évaporateur ZE. La deuxième extrémité longitudinale 4 est destinée à être refroidie par une source froide SF pour former au sein de l'enceinte un condenseur Zc.The heat pipe 1 comprises a sealed enclosure 2 extending along the longitudinal axis within the enclosure an evaporator Z E. The second longitudinal end 4 is intended to be cooled by a cold source SF to form a condenser Zc within the enclosure.

L'enceinte étanche 2 délimite intérieurement une zone adiabatique ZA entre l'évaporateur et le condenseur.The sealed enclosure 2 internally delimits an adiabatic zone Z A between the evaporator and the condenser.

La source chaude est par exemple un composant électrique ou électronique, un stockage de chaleur, un réacteur chimique exothermique. La source froide est par exemple une surface radiative, des ailettes en convection forcée, des plaques froides en écoulement mono ou diphasique, un stockage de froid, une réaction chimique endothermique...The hot source is for example an electrical or electronic component, a heat storage unit, an exothermic chemical reactor. The cold source is for example a radiative surface, fins in forced convection, cold plates in single or two-phase flow, cold storage, an endothermic chemical reaction, etc.

L'enceinte étanche 2 est réalisée par empilement et assemblage de plaques d'extrémité 22 aussi appelés plaques de fermeture et de modules de plaques intercalaires 20 agencés entre les plaques d'extrémité 22, selon un procédé décrit dans la demande de brevet EP3553445 .The sealed enclosure 2 is produced by stacking and assembling end plates 22 also called closing plates and intermediate plate modules 20 arranged between the end plates 22, according to a process described in the patent application EP3553445 .

Un module comprend au moins deux plaques intercalaires, les plaques des différents modules de plaques intermédiaires 20 comprenant des fenêtres ou d'autres structurations, étant empilées de sorte à délimiter des canaux 11, 12, 13 comme détaillé par la suite. Un module peut aussi comprendre une unique plaque usinée sur ses deux faces principales.A module comprises at least two intermediate plates, the plates of the different intermediate plate modules 20 comprising windows or other structures, being stacked so as to delimit channels 11, 12, 13 as detailed below. A module can also include a single plate machined on its two main faces.

La réalisation, l'empilement et l'assemblage des plaques n'est pas détaillé ici, on pourra se reporter à la demande précitée EP3553445 . Néanmoins, les plaques 20, 22 sont préférentiellement en alliage d'aluminium et assemblées par brasure sous vide. Les plaques en alliage d'aluminium peuvent être préférentiellement revêtues d'un clading eutectique.The production, stacking and assembly of the plates is not detailed here, we can refer to the aforementioned request EP3553445 . However, the plates 20, 22 are preferably made of aluminum alloy and assembled by vacuum brazing. Aluminum alloy plates can preferably be coated with a eutectic clading.

Un mode de réalisation préférentiel consiste à usiner des plaques 20 cladées sur leurs deux faces principales, puis réaliser l'assemblage de ces tôles par brasure eutectique sous vide. A titre de variante, on peut réaliser un usinage sur une seule face principale des plaques cladées.A preferred embodiment consists of machining clad plates 20 on their two main faces, then assembling these sheets by vacuum eutectic brazing. As a variant, machining can be carried out on a single main face of the clad plates.

Pour l'assemblage, différents procédés sont envisageables : brasure au bain de sel, brasure sous gaz inerte, soudage par ultrasons, soudure par friction-malaxage (« Friction Stir Welding » en anglais), collage...For assembly, different processes are possible: salt bath brazing, inert gas brazing, ultrasonic welding, friction stir welding, bonding, etc.

Les dimensions extérieures des caloducs sont comprises entre quelques centimètres et quelques mètres. La taille maximale des caloducs est en général limitée par l'outillage disponible. En effet, l'assemblage des tôles par brasure sous vide requiert des fours sous vide de grande taille, de quelques mètres de longueur.The external dimensions of heat pipes range from a few centimeters to a few meters. The maximum size of heat pipes is generally limited by the tooling available. Indeed, the assembly of sheets by vacuum brazing requires large vacuum furnaces, several meters long.

Pour la découpe et l'usinage des tôles, des machines de grande taille sont également requises. En outre, la tenue mécanique de tôles avec des découpes de faible largeur et de grande longueur est à prendre en compte.For sheet metal cutting and machining, large machines are also required. In addition, the mechanical strength of sheets with small width and long length cuts must be taken into account.

Par exemple, des fenêtres sont réalisées par poinçonnage, découpage, par exemple au laser ou au jet d'eau.For example, windows are made by punching, cutting, for example by laser or water jet.

Dans l'exemple illustré, toutes les plaques 20 présentent les mêmes dimensions extérieures, l'empilement définissant l'enceinte étanche 2 est alors de forme parallélépipédique rectangle avec quatre faces longitudinales parallèles au plan XY ou au plan XZ, ayant chacune une grande surface favorisant les échanges de chaleur avec la source chaude SC et la source froide SF. Dans l'exemple illustré, la face longitudinale 21 parallèle au plan XY, est celle qui reçoit le flux de chaleur (φE) de la source chaude (SC).In the example illustrated, all the plates 20 have the same external dimensions, the stack defining the sealed enclosure 2 is then of rectangular parallelepiped shape with four longitudinal faces parallel to the XY plane or the XZ plane, each having a large surface area favoring heat exchanges with the hot source SC and the cold source SF. In the example illustrated, the longitudinal face 21 parallel to the plane XY is that which receives the heat flow (φ E ) from the hot source (SC).

L'empilement de plaques 20 avec leurs fenêtres ou leurs structurations 14, délimite intérieurement, dans l'évaporateur ZE, des canaux liquides 11, un canal vapeur 13 relié aux canaux liquide 11 par des canaux de liaison 12.The stack of plates 20 with their windows or structures 14, internally delimits, in the evaporator Z E , liquid channels 11, a vapor channel 13 connected to the liquid channels 11 by connecting channels 12.

Plus précisément, le canal vapeur 13 de section transversale rectangulaire constante s'étend le long de l'axe longitudinal X. Le canal vapeur 13 sert à la circulation de la phase vapeur de l'évaporateur ZE au condenseur Zc en passant par la zone adiabatique ZA.More precisely , the vapor channel 13 of constant rectangular cross section extends along the longitudinal axis adiabatic Z A .

Un canal liquide 11 peut être relié ou non au canal vapeur 13 en fonction de la zone du caloduc. Lorsqu'il est relié au canal vapeur 13, comme dans l'évaporateur ZE, un canal liquide 11 l'est par un canal de liaison 12 de section dans le plan XZ plus faible que celle du canal liquide. Chaque canal liquide 11 est destiné à la circulation du liquide du condenseur Zc à l'évaporateur ZE.A liquid channel 11 may or may not be connected to the vapor channel 13 depending on the area of the heat pipe. When connected to the vapor channel 13, as in the evaporator Z E , a liquid channel 11 is connected by a connecting channel 12 of section in the plane XZ smaller than that of the liquid channel. Each liquid channel 11 is intended for the circulation of liquid from the condenser Zc to the evaporator Z E.

Un canal de liaison 12 forme une rainure réentrante en définissant une zone d'échange entre la vapeur et le liquide. Autrement dit, un canal de liaison 12 en définissant au moins une interface liquide-vapeur.A connecting channel 12 forms a reentrant groove by defining an exchange zone between the vapor and the liquid. In other words, a connection channel 12 defining at least one liquid-vapor interface.

Ainsi, dans l'état de l'art, comme illustré en figures 7 et 8, les canaux de liaison 12 s'étendent selon la direction longitudinale X du caloduc. Comme symbolisé sur la figure 8, cette réalisation des canaux 12 a notamment pour inconvénient que les zones de brasage B entre plaques intermédiaires 20 au sein de l'empilement et avec les plaques d'extrémité 22 ne peuvent être présentes physiquement que sur un côté longitudinal des canaux liquides 11.Thus, in the state of the art, as illustrated in figures 7 and 8 , the connecting channels 12 extend in the longitudinal direction X of the heat pipe. As symbolized on the figure 8 , this production of the channels 12 has the particular disadvantage that the brazing zones B between intermediate plates 20 within the stack and with the end plates 22 can only be physically present on one longitudinal side of the liquid channels 11.

A titre d'exemple, notamment pour un caloduc en alliage d'aluminium utilisant l'ammoniac comme fluide de travail, les plaques intercalaires 20 ont une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 6 mm, de préférence égale à 2 mm.By way of example, in particular for an aluminum alloy heat pipe using ammonia as working fluid, the intermediate plates 20 have a thickness of between 0.5 mm and 6 mm, preferably equal to 2 mm.

Les plaques d'extrémité 22 ont une épaisseur comprise entre 1 mm et 3 mm, de préférence égale à 2 mm.The end plates 22 have a thickness of between 1 mm and 3 mm, preferably equal to 2 mm.

La largeur dans le plan YZ d'un canal de liaison 12 est comprise entre 0,1 et 1mm, de préférence de l'ordre de 0,2mm.The width in the YZ plane of a connecting channel 12 is between 0.1 and 1mm, preferably of the order of 0.2mm.

La largeur dans le plan YZ d'un canal liquide 11 comprise entre 0,5 et 4mm, de préférence de l'ordre de 3mm.The width in the YZ plane of a liquid channel 11 is between 0.5 and 4mm, preferably of the order of 3mm.

Exemple 3 (selon l'invention) : Dans cet exemple illustré aux figures 9 à 11, l'évaporateur comprend une pluralité d'inserts poreux 15 en graphite, chacun de préférence sous la forme d'une feuille plane. Example 3 (according to the invention) : In this example illustrated in figures 9 to 11 , the evaporator comprises a plurality of porous graphite inserts 15, each preferably in the form of a flat sheet.

Un insert poreux 15 est en appui à l'intérieur d'une encoche longitudinale 16 prévue à cet effet dans une plaque intercalaire 20.A porous insert 15 rests inside a longitudinal notch 16 provided for this purpose in an intermediate plate 20.

L'empilement des plaques intercalaires 20 est réalisé en alternant entre deux plaques intercalaires un insert poreux 15 à l'évaporateur ZE. Puis, les deux plaques de fermeture 22 sont disposées aux extrémités de l'empilement pour fermer le ou les canaux 11, 12, 13. L'empilement est réalisé de sorte à ce qu'un insert poreux 15 soit pris en sandwich entre deux plaques intercalaires 20 ou entre une plaque intercalaire 20 et une plaque de fermeture 22 en étant compressé.The stacking of the intermediate plates 20 is carried out by alternating between two intermediate plates a porous insert 15 at the evaporator Z E. Then, the two closing plates 22 are arranged at the ends of the stack to close the channel(s) 11, 12, 13. The stack is made so that a porous insert 15 is sandwiched between two plates. spacers 20 or between an intermediate plate 20 and a closing plate 22 while being compressed.

Dans cet exemple 3, l'insert poreux 15 s'étend à travers toute la largeur selon la direction Y à la fois des canaux liquide 11, de liaison 12 et vapeur 13. L'insert poreux 15 permet par capillarité d'amener le liquide de chaque canal liquide 11 vers le canal vapeur 13 où il s'évapore en surface.In this example 3, the porous insert 15 extends across the entire width in the Y direction of both the liquid 11, connection 12 and vapor 13 channels. The porous insert 15 makes it possible, by capillarity, to bring the liquid from each liquid channel 11 to the vapor channel 13 where it evaporates on the surface.

La zone adiabatique ZA et le condenseur Zc sont exempts d'inserts.The adiabatic zone Z A and the condenser Zc are free of inserts.

Le flux de chaleur ΦE provenant de la source chaude parvient sur la face latérale 23 de l'enceinte 2 du caloduc, c'est-à-dire en étant parallèle au plan des plaques 20, 22 et les canaux liquides 11 sont donc à l'opposé de la face 23.The heat flow Φ E coming from the hot source reaches the side face 23 of the enclosure 2 of the heat pipe, that is to say being parallel to the plane of the plates 20, 22 and the liquid channels 11 are therefore at opposite face 23.

Dans cet exemple 3, le fait d'avoir plusieurs canaux 11 en parallèle permet d'augmenter le flux de chaleur transmis et/ou la surface d'échange. Dans cet exemple 3, le retour du liquide se fait donc sur le côté opposé à celui 23 par laquelle le flux de chaleur ΦE est apporté, ce qui repousse l'apparition de bulles dans les canaux liquides 11 (limite d'ébullition).In this example 3, the fact of having several channels 11 in parallel makes it possible to increase the transmitted heat flow and/or the exchange surface. In this example 3, the return of the liquid therefore takes place on the side opposite to that 23 through which the heat flow Φ E is supplied, which repels the appearance of bubbles in the liquid channels 11 (boiling limit).

Au condenseur Zc, le flux de chaleur ΦS est extrait par la face latérale 24, c'est-à-dire celle du côté des canaux liquides 11. On peut aussi envisager une extraction de chaleur sur la face 23 côté canal vapeur, voire sur les autres côtés du caloduc.At the condenser Zc, the heat flow Φ S is extracted by the lateral face 24, that is to say that on the side of the liquid channels 11. We can also envisage heat extraction on the face 23 on the vapor channel side, or even on the other sides of the heat pipe.

Exemple 4 (selon l'invention) : Cet exemple illustré à la figure 12 est identique à l'exemple 3 à ceci près que le rapport d'aspect entre la largeur et la hauteur du caloduc est différent de manière à avoir un caloduc plus plat. Example 4 (according to the invention) : This example illustrated in Figure 12 is identical to Example 3 except that the aspect ratio between the width and height of the heat pipe is different so as to have a flatter heat pipe.

Exemple 5 (selon l'invention) : Dans cet exemple illustré aux figures 13 à 15, l'évaporateur comprend également une pluralité d'inserts poreux 15 en graphite, chacun de préférence sous la forme d'une feuille plane. Example 5 (according to the invention) : In this example illustrated in figures 13 to 15 , the evaporator also comprises a plurality of porous graphite inserts 15, each preferably in the form of a flat sheet.

Un insert poreux 15 est en appui à l'intérieur d'une encoche longitudinale 16 prévue à cet effet dans une plaque intercalaire 20.A porous insert 15 rests inside a longitudinal notch 16 provided for this purpose in an intermediate plate 20.

L'empilement des plaques intercalaires 20 est réalisé en alternant entre deux plaques intercalaires un insert poreux 15 à l'évaporateur ZE. Puis, les deux plaques de fermeture 22 sont disposées aux extrémités de l'empilement pour fermer le ou les canaux 11, 12, 13.The stacking of the intermediate plates 20 is carried out by alternating between two intermediate plates a porous insert 15 at the evaporator Z E. Then, the two closing plates 22 are arranged at the ends of the stack to close the channel(s) 11, 12, 13.

L'empilement est réalisé de sorte à ce qu'un insert poreux 15 soit pris en sandwich entre deux plaques intercalaires 20 ou entre une plaque intercalaire 20 et une plaque de fermeture 22 en étant comprimé.The stack is made so that a porous insert 15 is sandwiched between two intermediate plates 20 or between an intermediate plate 20 and a closing plate 22 while being compressed.

Dans cet exemple 5, l'insert poreux 15 s'étend à travers toute la largeur selon la direction Y à la fois des canaux liquides 11, de liaison 12 et vapeur 13. Pour maintenir encore mieux l'insert poreux 15, on peut envisager une encoche longitudinale prévue à cet effet sur le bord extérieur des canaux liquides 11.In this example 5, the porous insert 15 extends across the entire width in the Y direction of both the liquid 11, connection 12 and vapor 13 channels. To maintain the porous insert 15 even better, we can consider a longitudinal notch provided for this purpose on the outer edge of the liquid channels 11.

Ici, chaque extrémité latérale d'un insert poreux 15 selon la direction Y est au-dessus d'un canal liquide 11. Autrement dit, deux canaux liquides 11 sont agencés symétriquement de part et d'autre du canal vapeur 13 à l'intérieur duquel s'étendent les inserts poreux 15 en étant parallèles les uns aux autres.Here, each lateral end of a porous insert 15 in the Y direction is above a liquid channel 11. In other words, two liquid channels 11 are arranged symmetrically on either side of the vapor channel 13 inside from which the porous inserts 15 extend parallel to each other.

La zone adiabatique ZA et le condenseur Zc sont exempts d'inserts et sont donc identiques à ceux de l'exemple 2 selon l'état de l'art.The adiabatic zone Z A and the condenser Zc are free of inserts and are therefore identical to those of example 2 according to the state of the art.

Le flux de chaleur ΦE provenant de la source chaude parvient sur la face latérale 21 de l'enceinte 2 du caloduc en étant perpendiculaire au plan des plaques 20, 22.The heat flow Φ E coming from the hot source reaches the side face 21 of the enclosure 2 of the heat pipe being perpendicular to the plane of the plates 20, 22.

Au condenseur Zc, le flux de chaleur ΦS est extrait par les faces latérales 23 ou 24. On peut aussi envisager une extraction par la face latérale 21 ou celle en regard.At the condenser Zc, the heat flow Φ S is extracted through the side faces 23 or 24. We can also consider extraction through the side face 21 or the one opposite.

Exemple 6 (selon l'invention) : Dans cet exemple illustré à la figure 16, l'évaporateur comprend également une pluralité d'inserts poreux 15 en graphite, chacun de préférence sous la forme d'une feuille plane. Example 6 (according to the invention) : In this example illustrated in Figure 16 , the evaporator also comprises a plurality of porous graphite inserts 15, each preferably in the form of a flat sheet.

Un insert poreux 15 est en appui à l'intérieur d'une encoche longitudinale 16 prévue à cet effet dans une plaque intercalaire 20.A porous insert 15 rests inside a longitudinal notch 16 provided for this purpose in an intermediate plate 20.

L'empilement des plaques intercalaires 20 est réalisé en alternant entre deux plaques intercalaires un insert poreux 15 à l'évaporateur ZE. Puis, les deux plaques de fermeture 22 sont disposées aux extrémités de l'empilement pour fermer le ou les canaux 11, 12, 13.The stacking of the intermediate plates 20 is carried out by alternating between two intermediate plates a porous insert 15 at the evaporator Z E. Then, the two closing plates 22 are arranged at the ends of the stack to close the channel(s) 11, 12, 13.

L'empilement est réalisé de sorte à ce qu'un insert poreux 15 soit pris en sandwich entre deux plaques intercalaires 20 ou entre une plaque intercalaire 20 et une plaque de fermeture 22 en étant comprimé.The stack is made so that a porous insert 15 is sandwiched between two intermediate plates 20 or between an intermediate plate 20 and a closing plate 22 while being compressed.

Dans cet exemple 6, l'insert poreux 15 s'étend à travers toute la largeur selon la direction Y à la fois des canaux liquides 11, de liaison 12 et vapeur 13.In this example 6, the porous insert 15 extends across the entire width in the Y direction of both the liquid 11, connection 12 and vapor 13 channels.

Ici, la partie centrale d'un insert poreux 15 selon la direction Y est au-dessus d'un unique canal liquide 11 qui est central et qui est relié à deux canaux vapeur 13 de part et d'autre par l'intermédiaire d'un canal de liaison 12.Here, the central part of a porous insert 15 in the Y direction is above a single liquid channel 11 which is central and which is connected to two vapor channels 13 on either side via a connection channel 12.

L'insert poreux 15 permet par capillarité d'amener le liquide du canal central 11 vers les deux canaux vapeur 13 où il s'évapore en surface.The porous insert 15 allows the liquid to be brought by capillarity from the central channel 11 to the two vapor channels 13 where it evaporates on the surface.

La zone adiabatique ZA et le condenseur Zc sont exempts d'inserts.The adiabatic zone Z A and the condenser Zc are free of inserts.

Le flux de chaleur ΦE provenant de la source chaude parvient sur les deux faces latérales 23, 24 de l'enceinte 2 du caloduc en étant parallèle au plan des plaques 20, 22. Les canaux liquides centraux 11 sont donc éloignés des faces 23, 24 où arrivent les flux de chaleur et ont donc un risque réduit d'avoir une ébullition en leur sein.The heat flow Φ E coming from the hot source reaches the two lateral faces 23, 24 of the enclosure 2 of the heat pipe while being parallel to the plane of the plates 20, 22. The central liquid channels 11 are therefore distant from the faces 23, 24 where the heat flows arrive and therefore have a reduced risk of having a boil within them.

Au condenseur Zc, le flux de chaleur ΦS peut être extrait par n'importe quelle face latérale 21, 23, 24 de l'enceinte 2 du caloduc.At the condenser Zc, the heat flow Φ S can be extracted through any side face 21, 23, 24 of the enclosure 2 of the heat pipe.

Les performances des exemples 1 et 2 selon l'état de l'art sont comparées avec celles des exemples 3 à 6 selon l'invention.The performances of Examples 1 and 2 according to the state of the art are compared with those of Examples 3 to 6 according to the invention.

Les critères de comparaison choisis sont respectivement la limite capillaire, la limite d'ébullition, la résistance thermique à l'évaporateur, comme énoncées dans la publication [3].The comparison criteria chosen are respectively the capillary limit, the boiling limit, the thermal resistance at the evaporator, as stated in the publication [3].

La limite capillaire peut être définie comme la puissance limite déterminée par l'écart entre la pression motrice à l'interface liquide/vapeur à l'évaporateur et les pertes de pression des phases liquide et vapeur migrant inversement dans le caloduc. Cette limite est calculée à l'aide de modèles thermo hydrauliques, et calculée en valeur absolue et en relatif par rapport au caloduc de l'exemple 1 selon l'état de l'art (caloduc cylindrique à rainures réentrantes).The capillary limit can be defined as the limiting power determined by the difference between the driving pressure at the liquid/vapor interface at the evaporator and the pressure losses of the liquid and vapor phases migrating inversely in the heat pipe. This limit is calculated using thermo-hydraulic models, and calculated in absolute value and relative to the heat pipe of Example 1 according to the state of the art (cylindrical heat pipe with reentrant grooves).

La limite d'ébullition peut quant à elle être définie comme étant le flux au-delà duquel des bulles peuvent naitre dans les rainures et nuire au mouvement du liquide dans celle-ci. Cette limite peut être évaluée en calculant à l'aide d'un modèle aux éléments finis la surchauffe maximum dans les rainures, et est exprimée en relatif par rapport à la surchauffe dans le caloduc de l'exemple 1 selon l'état de l'art (caloduc cylindrique à rainures réentrantes).The boiling limit can be defined as the flow beyond which bubbles can arise in the grooves and hinder the movement of the liquid therein. This limit can be evaluated by calculating using a finite element model the maximum overheating in the grooves, and is expressed relative to the overheating in the heat pipe of example 1 according to the state of the art (cylindrical heat pipe with reentrant grooves).

Enfin, la résistance thermique à l'évaporateur R peut être évaluée par la formule suivante : R = tsemelle tvapeur / flux

Figure imgb0004
Finally, the thermal resistance to the evaporator R can be evaluated by the following formula: R = sole steam / flow
Figure imgb0004

Dans laquelle tsemelle : température moyenne de la paroi sur laquelle on applique le flux de chaleur (°C)

  • tvapeur : température de la vapeur du caloduc (°C)
  • flux : flux de chaleur sur la semelle (W/m2).
In which tsole: average temperature of the wall on which the heat flow is applied (°C)
  • steam: heat pipe steam temperature (°C)
  • flow: heat flow on the sole (W/m 2 ).

On donnera également cette valeur en relatif par rapport à l'exemple 1 selon l'état de l'art (caloduc cylindrique à rainures réentrantes).We will also give this value relative to Example 1 according to the state of the art (cylindrical heat pipe with reentrant grooves).

La figure 17 illustre sous formes de courbes de limite capillaire les différents exemples en fonction de la température du caloduc.There Figure 17 illustrates the different examples in the form of capillary limit curves as a function of the temperature of the heat pipe.

Le tableau 1 ci-dessous résume les gains en termes de limite capillaire, limite d'ébullition et résistance thermique à l'évaporateur des différents exemples de caloducs par rapport au caloduc de l'exemple 1 selon l'état de l'art (caloduc cylindrique à rainures réentrantes) dont les valeurs de référence sont égales à 1. On précise que les valeurs indiquées ont été calculées pour une température adiabatique de 60°C. [Tableau 1] Exemples 1 (Etat de l'art) 2 (Etat de l'art) 3 (Invention) 4 (Invention) 5 (Invention) 6 (Invention) Gains limite capillaire 1 3,9 3,4 4,7 4,0 3,1 limite d'ébullition 1 1,3 4,8 4,3 2,3 6,9 résistance thermique à l'évaporateur 1 1,3 2,7 2,7 2,0 3,1 Table 1 below summarizes the gains in terms of capillary limit, boiling limit and thermal resistance at the evaporator of the different examples of heat pipes compared to the heat pipe of Example 1 according to the state of the art (heat pipe cylindrical with reentrant grooves) whose reference values are equal to 1. It should be noted that the values indicated were calculated for an adiabatic temperature of 60°C. [Table 1] Examples 1 (State of the art) 2 (State of the art) 3 (Invention) 4 (Invention) 5 (Invention) 6 (Invention) Earnings capillary limit 1 3.9 3.4 4.7 4.0 3.1 boiling limit 1 1.3 4.8 4.3 2.3 6.9 thermal resistance to the evaporator 1 1.3 2.7 2.7 2.0 3.1

De ce tableau, il ressort que quel que soit l'exemple selon l'invention, tous les paramètres mesurant la performance sont significativement augmentés par rapport aux exemples 1 et 2 selon l'état de l'art. L'exemple 6 selon l'invention présente les meilleures performances.From this table, it appears that whatever the example according to the invention, all the parameters measuring performance are significantly increased compared to examples 1 and 2 according to the state of the art. Example 6 according to the invention presents the best performance.

Un autre mode de réalisation de l'invention est illustré aux figures 18 à 20.Another embodiment of the invention is illustrated in figures 18 to 20 .

Dans cet autre mode, l'évaporateur ZE comprend une pluralité d'inserts poreux 15 en graphite, chacun de préférence sous la forme d'une feuille plane.In this other mode, the evaporator Z E comprises a plurality of porous graphite inserts 15, each preferably in the form of a flat sheet.

Un insert poreux 15 est en appui à l'intérieur d'une encoche longitudinale 16 prévue à cet effet dans une plaque intercalaire 20.A porous insert 15 rests inside a longitudinal notch 16 provided for this purpose in an intermediate plate 20.

Le condenseur Zc comprend également une pluralité d'inserts poreux 17 en graphite, chacun de préférence sous la forme d'une feuille plane, comme montré sur la figure 18. Le matériau constitutif des inserts poreux 17 peut être le même que celui des inserts poreux 15.The condenser Zc also comprises a plurality of porous graphite inserts 17, each preferably in the form of a flat sheet, as shown in the figure. Figure 18 . The constituent material of the porous inserts 17 may be the same as that of the porous inserts 15.

L'empilement des plaques intercalaires 20 est réalisé en alternant entre deux plaques intercalaires un insert poreux 15 à l'évaporateur ZE, et un insert poreux 17 au condenseur Zc. Puis, les deux plaques de fermeture 22 sont disposées aux extrémités de l'empilement pour fermer le ou les canaux 11, 12, 13. L'empilement est réalisé de sorte à ce qu'un insert poreux 15 et un insert poreux 17 soient pris en sandwich entre deux plaques intercalaires 20 ou entre une plaque intercalaire 20 et une plaque de fermeture 22 en étant comprimés.The stacking of the intermediate plates 20 is carried out by alternating between two intermediate plates a porous insert 15 at the evaporator Z E , and a porous insert 17 at the condenser Zc. Then, the two closing plates 22 are arranged at the ends of the stack to close the channel(s) 11, 12, 13. The stack is made so that a porous insert 15 and a porous insert 17 are taken sandwiched between two intermediate plates 20 or between an intermediate plate 20 and a closing plate 22 while being compressed.

Dans cet autre mode, l'insert poreux 15 et l'insert poreux 17 s'étendent à travers toute la largeur selon la direction Y à la fois des canaux liquide 11, de liaison 12 et vapeur 13.In this other mode, the porous insert 15 and the porous insert 17 extend across the entire width in the Y direction of both the liquid 11, connection 12 and vapor 13 channels.

Ici, la partie centrale d'un insert poreux 15 ou d'un insert poreux 17 selon la direction Y est au-dessus d'un unique canal liquide 11 qui est central et qui est relié à deux canaux vapeur 13 de part et d'autre par l'intermédiaire d'un canal de liaison 12.Here, the central part of a porous insert 15 or a porous insert 17 in the Y direction is above a single liquid channel 11 which is central and which is connected to two vapor channels 13 on either side. another via a link channel 12.

L'insert poreux 15 permet par capillarité d'amener le liquide du canal central 11 vers les deux canaux vapeur 13 où il s'évapore en surface.The porous insert 15 allows the liquid to be brought by capillarity from the central channel 11 to the two vapor channels 13 where it evaporates on the surface.

La zone adiabatique ZA est quant à elle exempte d'inserts.The adiabatic zone Z A is free of inserts.

Cet autre mode est avantageux par rapport aux exemples 3 à 6 précités car même si la limite capillaire est diminuée, il permet d'améliorer la résistance thermique au condenseur Zc.This other mode is advantageous compared to examples 3 to 6 mentioned above because even if the capillary limit is reduced, it makes it possible to improve the thermal resistance to the condenser Zc.

La figure 21 illustre une variante avantageuse selon laquelle les plaques de fermeture 22 d'un empilement définissant une enceinte de caloduc selon l'invention, sont de plus grande surface dans le plan XY, afin de les utiliser comme diffuseurs thermiques pour étaler le flux de chaleur sur une zone plus large, au niveau de l'évaporateur et/ou du condenseur.There Figure 21 illustrates an advantageous variant according to which the closing plates 22 of a stack defining a heat pipe enclosure according to the invention, have a larger surface area in the XY plane, in order to use them as thermal diffusers to spread the heat flow over a wider area, at the level of the evaporator and/or condenser.

Dans le cadre de l'invention, on peut réaliser un caloduc plus ou moins large suivant les zones évaporateur, adiabatique et condenseur, ce qui permet d'optimiser la masse du caloduc.In the context of the invention, a more or less wide heat pipe can be produced depending on the evaporator, adiabatic and condenser zones, which makes it possible to optimize the mass of the heat pipe.

Dans le cas d'un flux perpendiculaire aux plaques 20, 22, cela permet d'augmenter la surface d'échange à l'évaporateur, et/ou au condenseur et donc minimiser les résistances thermiques externes.In the case of a flow perpendicular to the plates 20, 22, this makes it possible to increase the exchange surface at the evaporator, and/or the condenser and therefore minimize external thermal resistance.

Dans le cas d'un flux de chaleur parallèle au plan des plaques 20, 22, la taille des canaux liquides et/ou vapeur est augmentée, permettant d'augmenter la limite capillaire du caloduc.In the case of a heat flow parallel to the plane of the plates 20, 22, the size of the liquid and/or vapor channels is increased, making it possible to increase the capillary limit of the heat pipe.

En l'absence de canaux liquides 11 sous un insert poreux 15 ou 17, et donc avec un retour capillaire du liquide uniquement dans ledit insert 15 ou 17, il est préférable d'augmenter la largeur de l'insert poreux 15 là où se trouvent les canaux liquides 11, afin de limiter les pertes de pression dans celui-ci, comme illustré à la figure 22.In the absence of liquid channels 11 under a porous insert 15 or 17, and therefore with a capillary return of the liquid only in said insert 15 or 17, it is preferable to increase the width of the porous insert 15 where there are the liquid channels 11, in order to limit pressure losses therein, as illustrated in Figure 22 .

La figure 23 illustre une variante avantageuse dans laquelle les structurations 14 de l'évaporateur et le cas échéant du condenseur comprennent une pluralité de plots 18 répartis uniformément dans les canaux de liaison 12 le long de la direction (X). Ces plots 18 permettent d'assurer un maintien mécanique de l'insert poreux . La présence de ces plots 18 peut être réalisée pour les exemples avec canaux liquides sur les côtés ou centraux comme sur cette figure 23.There Figure 23 illustrates an advantageous variant in which the structures 14 of the evaporator and, where appropriate, the condenser comprise a plurality of pads 18 uniformly distributed in the connecting channels 12 along the direction (X). These pads 18 ensure mechanical retention of the porous insert. The presence of these pads 18 can be achieved for examples with liquid channels on the sides or central as in this Figure 23 .

Les découpes des canaux de liaison 12 peuvent être réalisées droites, ou avec une forme ondulée (figure 24) ou en dent de scie (figure 25) sur tout ou partie de la longueur des canaux.The cutouts of the connecting channels 12 can be made straight, or with a wavy shape ( Figure 24 ) or sawtooth ( Figure 25 ) over all or part of the length of the channels.

Cette forme réalisée au condenseur ZC permet d'obtenir des parois non mouillées par le film de condensation aux sommets soit des ondulations soit des dents de scie. Cela permet également d'augmenter le coefficient d'échange en condensation en minimisant la résistance d'interface du film de condensation.This shape produced with the ZC condenser makes it possible to obtain walls not wetted by the condensation film at the tops of either the undulations or the saw teeth. This also makes it possible to increase the exchange coefficient in condensation by minimizing the interface resistance of the condensation film.

Un caloduc selon l'invention peut être rectiligne ou agencé dans différents plans. Il est possible de réaliser un ou plusieurs changements de direction par la forme des plaques 20, 22 et/ou des pliages sur l'enceinte 2 afin de se conformer à l'application pour laquelle le caloduc est destiné. Les pliages peuvent être faits dans un ou plusieurs plans suivant les besoins, à un angle de pliage quelconque.A heat pipe according to the invention can be rectilinear or arranged in different planes. It is possible to make one or more changes of direction by the shape of the plates 20, 22 and/or bends on the enclosure 2 in order to conform to the application for which the heat pipe is intended. Folds can be made in one or more planes as needed, at any folding angle.

Une limitation au pliage proviendrait d'un rayon de pliage trop faible comparé à l'épaisseur du caloduc qui pourrait conduire à l'écrasement des canaux lors du pliage, et au délaminage des plaques assemblées ensemble.A limitation on folding would come from a folding radius that is too small compared to the thickness of the heat pipe which could lead to the crushing of the channels during folding, and to the delamination of the plates assembled together.

Il n'est par ailleurs pas possible de plier le caloduc dans la zone évaporateur, du fait de la fragilité des inserts poreux 15.It is also not possible to bend the heat pipe in the evaporator zone, due to the fragility of the porous inserts 15.

La figure 26 illustre une telle variante avec un caloduc comprenant une partie rectiligne 25 intégrant le condenseur ZC du caloduc et une autre partie rectiligne 26, coudée à 90° de la partie rectiligne 25, qui intègre sur une partie de sa longueur l'évaporateur ZE. La zone adiabatique s'étend donc dans les deux parties rectilignes 25, 26 à 90° l'une de l'autre.There Figure 26 illustrates such a variant with a heat pipe comprising a rectilinear part 25 integrating the condenser ZC of the heat pipe and another rectilinear part 26, bent at 90° from the rectilinear part 25, which integrates over part of its length the evaporator Z E. The adiabatic zone therefore extends in the two rectilinear parts 25, 26 at 90° from one another.

Cette figure 26 montre également la présence d'ailettes 27 formant un radiateur au condenseur ZC.This Figure 26 also shows the presence of fins 27 forming a radiator to the condenser ZC.

Elle montre enfin la présence d'un queusot de remplissage 28 qui permet de remplir le caloduc avec le fluide de travail. Le queusot de remplissage peut être fixé sur un orifice ménagé sur les plaques de fermeture 22, et perpendiculairement à celle-ci.It finally shows the presence of a filling tail 28 which allows the heat pipe to be filled with the working fluid. The filling plug can be fixed to an orifice provided on the closing plates 22, and perpendicular to it.

Les figures 27A à 27H illustrent différentes formes d'ailettes qui peuvent être utilisées en tant que radiateur, à savoir des ailettes droites extrudées, des ailettes skivées, des ailettes plissées : droites à section rectangulaire, à section triangulaire, ondulées, de type OSF, droites perforées, à persienne.THE figures 27A to 27H illustrate different fin shapes that can be used as a radiator, namely extruded straight fins, skived fins, pleated fins: straight with rectangular section, with triangular section, corrugated, OSF type, straight perforated, louvered .

On peut intégrer directement dans un caloduc un circuit liquide ou diphasique en tant source chaude et/ou froide.A liquid or two-phase circuit can be integrated directly into a heat pipe as a hot and/or cold source.

La figure 28 illustre une telle intégration : un circuit de refroidissement 30 dans lequel est destiné à circuler un fluide caloporteur est directement en contact avec le condenseur. Dans l'exemple représenté, le circuit de refroidissement 30 est formé par une plaque supplémentaire 31, dans laquelle sont réalisées des rainures 32 définissant les parois latérales du circuit, et la plaque de fermeture 22 et une plaque de fermeture supplémentaire 22 forment les parois d'extrémité du circuit de refroidissement. La plaque de fermeture 22 comporte deux orifices 29 débouchant chacun à une extrémité du circuit et permettant la circulation du fluide caloporteur.There Figure 28 illustrates such an integration: a cooling circuit 30 in which a heat transfer fluid is intended to circulate is directly in contact with the condenser. In the example shown, the cooling circuit 30 is formed by an additional plate 31, in which grooves 32 are made defining the side walls of the circuit, and the closing plate 22 and an additional closing plate 22 form the walls of the circuit. end of the cooling circuit. The closure plate 22 has two orifices 29 each opening at one end of the circuit and allowing the circulation of the heat transfer fluid.

D'autres avantages et améliorations pourront être apportés sans pour autant sortir du cadre de l'invention.Other advantages and improvements could be made without departing from the scope of the invention.

L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.The invention is not limited to the examples which have just been described; In particular, it is possible to combine characteristics of the illustrated examples within non-illustrated variants.

Toutes les variantes peuvent être combinées ou non entre elles : on peut par exemple avoir des rainures longitudinales non débouchantes 16 combinées avec des canaux de liaison transversaux 12 sur toute la hauteur des plaques intercalaires 20, par exemple en quinconce, et le cas échéant avec des rainures longitudinales de brasage à l'interface entre plaques 20 ou 20, 22.All variants can be combined or not with each other: for example, non-opening longitudinal grooves 16 can be combined with transverse connecting channels 12 over the entire height of the intermediate plates 20, for example in a staggered manner, and where appropriate with longitudinal brazing grooves at the interface between plates 20 or 20, 22.

Un 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 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 according to the operating and storage temperature range of the device, depending on the constraints due to pressure, flammability, toxicity of the fluid and chemical compatibility between the fluid and the material. forming the heat pipe.

De plus, certains fluides ne sont pas compatibles avec certains matériaux, des réactions d'oxy-réduction pouvant conduire à des phénomènes corrosifs impliquant des produits de réaction, par exemple des gaz incondensables, dégradant le fonctionnement hydrodynamique des caloducs.In addition, certain fluids are not compatible with certain materials, oxy-reduction reactions can lead to corrosive phenomena involving reaction products, for example non-condensable gases, degrading the hydrodynamic operation of the heat pipes.

A titre d'exemple, pour un caloduc selon l'invention réalisé en alliage d'aluminium en nickel, en cuivre ou en alliage à base d'une combinaison d'entre eux, assemblé par brasure eutectique, on peut utiliser comme fluide l'ammoniac, l'eau, l'acétone, le méthano.... Le fluide de remplissage privilégié est l'ammoniac (NH3).By way of example, for a heat pipe according to the invention made of nickel aluminum alloy, copper or an alloy based on a combination of them, assembled by eutectic brazing, the fluid can be used as fluid. ammonia, water, acetone, methane.... The preferred filling fluid is ammonia (NH3).

Du fait des limites d'utilisation, entre les fluides de travail et les métaux cités, les couples envisagés peuvent être comme suit : Fluide de travail Métal(ux) du caloduc Ammoniac Aluminium, acier, acier inoxydable, nickel Méthanol Cuivre, acier inoxydable Acétone Aluminium, acier inoxydable Eau Cuivre, nickel, titane Due to the limits of use, between the working fluids and the metals mentioned, the couples envisaged can be as follows: Working fluid Heat pipe metal(s) Ammonia Aluminum, steel, stainless steel, nickel Methanol Copper, stainless steel Acetone Aluminum, stainless steel Water Copper, nickel, titanium

Liste des références citéesList of cited references

  • [1] : Christine Hoa :«Thermique des caloducs à rainures axiales : études et réalisations pour des applications spatiales». Université de Poitiers, 2004 .[1]: Christine Hoa: “Thermal of heat pipes with axial grooves: studies and achievements for space applications”. University of Poitiers, 2004 .
  • [2]: S. W. Chi, "Heat Pipe Theory and Practice," McGraw-Hill, NY, U.S.A., 1976 .[2]: SW Chi, "Heat Pipe Theory and Practice," McGraw-Hill, NY, USA, 1976 .
  • [3]: Jocelyn BONJOUR et al. « Systèmes diphasiques de contrôle thermique - Thermosiphons et caloducs » Technique de l'ingénieur, BE9545, 2015 .[3]: Jocelyn BONJOUR et al. “Two-phase thermal control systems - Thermosyphons and heat pipes” Engineering technique, BE9545, 2015 .

Claims (15)

Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes, s'étendant le long d'une première direction longitudinale (X), comprenant une enceinte étanche (2) s'étendant entre une première extrémité longitudinale (3), destinée à être échauffée par une source chaude SC pour former, au sein de l'enceinte, un évaporateur et une deuxième extrémité longitudinale (4) destinée à être refroidie par une source froide SF pour former, au sein de l'enceinte, un condenseur, l'enceinte étanche délimitant une zone adiabatique entre l'évaporateur et le condenseur, l'enceinte étanche comprenant un empilement de plaques (20, 22) selon une deuxième direction (Z), orthogonale à la première (X) direction, dont deux plaques de fermeture (22) et au moins un nombre de n modules les uns sur les autres avec n étant un entier supérieur ou égal à 1, chaque module comprenant au moins une plaque intercalaire (20) entre les plaques de fermeture, la ou les plaques intercalaires comprenant au moins une première plaque intercalaire comportant au moins une fenêtre dont les bords délimitent en partie au moins un canal vapeur (13) s'étendant le long de la première direction (X) entre l'évaporateur et le condenseur, dans lequel la vapeur est destinée à circuler, et sur au moins un côté latéral de la fenêtre selon une troisième direction (Y) orthogonale aux première (X) et deuxième direction (Z), au moins une structuration (14) dont les bords délimitent en partie au moins un canal liquide (11) dans l'évaporateur et le condenseur, le caloduc comprenant, au moins dans l'évaporateur, au moins une zone d'échange définissant une interface liquide-vapeur et délimitée entre la au moins une plaque intercalaire et au moins une autre plaque intercalaire ou une plaque de fermeture, reliant le(s) canal(ux) vapeur(s) et le(s) canal(ux) liquide(s), chaque zone d'échange comprenant au moins un canal de liaison débouchant (12), au moins une partie des canaux de liaison débouchant (12) de l'évaporateur logeant chacun un insert en matériau poreux (15) qui s'étend au moins en partie dans le(s) canal(ux) liquide(s) et dans le(s) canal(ux) vapeur(s), l'insert poreux étant adapté pour amener par capillarité le liquide depuis le(s) canal(ux) liquide(s) jusqu'au(x) canal(ux) vapeur dans lequel(lesquels) il s'évapore.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves, extending along a first longitudinal direction (X), comprising a sealed enclosure (2) extending between a first longitudinal end (3), intended to be heated by a hot source SC to form, within the enclosure, an evaporator and a second longitudinal end (4) intended to be cooled by a cold source SF to form, within the enclosure, a condenser, the sealed enclosure delimiting an adiabatic zone between the evaporator and the condenser, the sealed enclosure comprising a stack of plates (20, 22) in a second direction (Z), orthogonal to the first (X) direction, including two closing plates (22 ) and at least a number of n modules on top of each other with n being an integer greater than or equal to 1, each module comprising at least one intermediate plate (20) between the closing plates, the intermediate plate(s) comprising at least a first intermediate plate comprising at least one window whose edges partially delimit at least one vapor channel (13) extending along the first direction (X) between the evaporator and the condenser, in which the vapor is intended to circulate, and on at least one lateral side of the window in a third direction (Y) orthogonal to the first (X) and second direction (Z), at least one structure (14) whose edges partly delimit at least one liquid channel (11) in the evaporator and the condenser, the heat pipe comprising, at least in the evaporator, at least one exchange zone defining a liquid-vapor interface and delimited between the at least one intermediate plate and at least one other plate interlayer or a closing plate, connecting the vapor channel(s) and the liquid channel(s), each exchange zone comprising at least one opening connecting channel (12) , at least part of the connecting channels (12) emerging from the evaporator each housing an insert made of porous material (15) which extends at least partly into the liquid channel(s) and into the vapor channel(s), the porous insert being adapted to bring the liquid by capillary action from the liquid channel(s) to the vapor channel(s) in which one(s) it evaporates. Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon la revendication 1, le condenseur du caloduc comprenant également au moins une zone d'échange définissant une interface liquide-vapeur et délimitée entre la au moins une plaque intercalaire et au moins une autre plaque intercalaire ou une plaque de fermeture, reliant le(s) canal(ux) vapeur(s) et le(s) canal(ux) liquide(s), chaque zone d'échange comprenant au moins un canal de liaison débouchant (12), au moins une partie des canaux de liaison débouchant (12) du condenseur logeant chacun un insert en matériau poreux (17) qui s'étend au moins en partie dans le(s) canal(ux) liquide(s) et dans le(s) canal(ux) vapeur, l'insert poreux étant adapté pour condenser la vapeur dans le canal vapeur et amener par capillarité le liquide condensé vers le canal liquide.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to claim 1, the condenser of the heat pipe also comprising at least one exchange zone defining a liquid-vapor interface and delimited between the at least one intermediate plate and at least one other intermediate plate or a closing plate, connecting the vapor channel(s) and the liquid channel(s), each exchange zone comprising at least one connecting channel opening (12), at least part of the opening connecting channels (12) of the condenser each housing an insert of porous material (17) which extends at least partly into the liquid channel(s) and in the steam channel(s), the porous insert being adapted to condense the steam in the steam channel and bring the condensed liquid to the liquid channel by capillary action. Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, la zone adiabatique du caloduc comprenant au moins une zone d'échange entre le(s) canal(ux) vapeur(s) et le(s) canal(ux) liquide(s), définissant une interface liquide-vapeur et délimitée entre la au moins une plaque intercalaire et au moins une autre plaque intercalaire ou une plaque de fermeture, chaque zone d'échange comprenant au moins un canal de liaison débouchant (12) exempt d'insert.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the adiabatic zone of the heat pipe comprising at least one exchange zone between the steam channel(s) and the channel(s). (ux) liquid(s), defining a liquid-vapor interface and delimited between the at least one intermediate plate and at least one other intermediate plate or a closing plate, each exchange zone comprising at least one connecting channel opening out ( 12) free of insert. Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, l'insert poreux de l'évaporateur et le cas échéant du condenseur s'étendant sur toute la largeur du canal vapeur selon la troisième direction (Y).Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the porous insert of the evaporator and, where appropriate, the condenser extending over the entire width of the vapor channel in the third direction (Y). Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, l'insert poreux ayant la forme d'une feuille plane de préférence au moins une partie des plaques intercalaires comprenant, dans l'évaporateur et le cas échéant dans le condenseur, au moins une encoche longitudinale (16) s'étendant selon la première direction (X) formant une surface d'appui et de maintien de la feuille plane poreuse.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the porous insert having the shape of a flat sheet preferably at least part of the intermediate plates comprising, in the evaporator and where appropriate in the condenser, at least one longitudinal notch (16) extending in the first direction (X) forming a support and holding surface for the porous flat sheet. Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, le matériau constitutif d'un insert poreux (15, 17) étant à base de graphite, de préférence non mouillable par un métal d'apport pour brasage.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the material constituting a porous insert (15, 17) being based on graphite, preferably not wettable by a filler metal for brazing. Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, la largeur d'un insert poreux étant comprise entre 0,1 et 1mm, de préférence de l'ordre de 0,6mm.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the width of a porous insert being between 0.1 and 1mm, preferably of the order of 0.6mm. Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, la taille moyenne des pores d'un insert poreux étant comprise entre 1 et 100 µm, de préférence de l'ordre de 50 µm.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the average size of the pores of a porous insert being between 1 and 100 µm, preferably of the order of 50 µm. Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, le matériau constitutif des plaques formant l'enceinte étanche, étant choisi parmi l'aluminium, le cuivre, le nickel, ou un alliage à base d'au moins deux de ceux-ci.Heat pipe (1) with capillary pumping with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the material constituting the plates forming the sealed enclosure, being chosen from aluminum, copper, nickel, or an alloy based on at minus two of these. Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes comportant n modules les uns sur les autres, n étant un entier supérieur ou égal à 1, définissant un canal vapeur unique et n canaux liquides sur au moins un côté latéral, notamment sur chaque côté latéral du canal vapeur,
comprenant de préférence un canal vapeur unique central agencé entre n canaux liquides répartis latéralement de part et d'autre du canal vapeur.
Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims comprising n modules one on top of the other, n being an integer greater than or equal to 1, defining a single vapor channel and n liquid channels on at least one side lateral, in particular on each lateral side of the steam channel,
preferably comprising a single central vapor channel arranged between n liquid channels distributed laterally on either side of the vapor channel.
Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, au moins une des plaques d'extrémité présentant une surface supérieure à celle des plaques intermédiaires dans une direction transversale à celle (Z) de l'empilement de sorte à former des diffuseurs thermiques.Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, at least one of the end plates having a surface greater than that of the intermediate plates in a direction transverse to that (Z) of the stack so to form thermal diffusers. Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, la section transversale dans le plan XY de l'évaporateur intégrant l'insert poreux et/ou celle du condenseur, de préférence rectangulaire, étant supérieure à celle de la zone adiabatique du caloduc.Heat pipe (1) with capillary pumping with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the cross section in the XY plane of the evaporator integrating the porous insert and/or that of the condenser, preferably rectangular, being greater than that of the adiabatic zone of the heat pipe. Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, les structurations de l'évaporateur et le cas échéant du condenseur comprenant une pluralité de plots répartis, de préférence uniformément, le long de la première direction (X).Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, the structures of the evaporator and where appropriate the condenser comprising a plurality of pads distributed, preferably uniformly, along the first direction (X) . Caloduc (1) à pompage capillaire à rainures réentrantes selon l'une des revendications précédentes, comprenant 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 comportant avantageusement une ou plusieurs ailettes en contact thermique avec au moins une des plaques de fermeture.
les moyens d'échange thermique comprenant de préférence un circuit fluidique (32) en contact thermique avec au moins une des plaques de fermeture (12), ledit circuit étant formé par une plaque (36) structurée de sorte à délimiter des canaux (38), lesdits canaux (38) étant fermés par ladite plaque de fermeture (12) et une plaque de fermeture supplémentaire (40), les moyens d'échange thermique comportant également des moyens pour alimenter en fluide caloporteur ledit circuit fluidique.
Capillary pumped heat pipe (1) with reentrant grooves according to one of the preceding claims, comprising heat exchange means at the first end and/or second end, the heat exchange means at the second end comprising advantageously one or more fins in thermal contact with at least one of the closing plates.
the heat exchange means preferably comprising a fluidic circuit (32) in thermal contact with at least one of the closing plates (12), said circuit being formed by a plate (36) structured so as to delimit channels (38) , said channels (38) being closed by said closing plate (12) and an additional closing plate (40), the heat exchange means also comprising means for supplying heat transfer fluid to said fluidic circuit.
Système comprenant : - une source froide (SF) ; - une source chaude (SC) et - au moins un caloduc (1) selon l'une des revendications précédentes, le caloduc étant agencé de sorte que le flux de chaleur (φE ) de la source chaude (SC) sur l'évaporateur étant sur au moins une face latérale (21) de l'enceinte en regard du canal vapeur ou sur au moins une face latérale en regard du(des) canal(ux) liquide(s), tandis que l'extraction de chaleur au condenseur vers la source froide (SF) étant sur au moins une face latérale de l'enceinte en regard du(des) canal(ux) liquide(s), ou sur une face latérale perpendiculaire à celui-ci (ceux-ci). System comprising: - a cold source (SF); - a hot spring (SC) and - at least one heat pipe (1) according to one of the preceding claims, the heat pipe being arranged so that the heat flow (φ E ) from the hot source (SC) on the evaporator being on at least one side face ( 21) of the enclosure facing the vapor channel or on at least one side face facing the liquid channel(s), while the heat extraction from the condenser towards the cold source (SF) being on at least one side face of the enclosure facing the liquid channel(s), or on a side face perpendicular to it (these).
EP23191681.8A 2022-08-17 2023-08-16 Heat pipe of the capillary pumping type, with re-entrant grooves including at least one substrate porous at the evaporator Pending EP4325156A1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2208353A FR3138942A1 (en) 2022-08-17 2022-08-17 Capillary pumping type heat pipe, with reentrant grooves integrating at least one porous substrate into the evaporator.

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4325156A1 true EP4325156A1 (en) 2024-02-21

Family

ID=85018690

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP23191681.8A Pending EP4325156A1 (en) 2022-08-17 2023-08-16 Heat pipe of the capillary pumping type, with re-entrant grooves including at least one substrate porous at the evaporator

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP4325156A1 (en)
FR (1) FR3138942A1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4422501A (en) 1982-01-22 1983-12-27 The Boeing Company External artery heat pipe
FR2776764A1 (en) * 1998-03-30 1999-10-01 Atmostat Etudes Et Rech THERMAL EXCHANGE DEVICE WITH ACTIVE BIPHASIC FLUID AND METHOD FOR MANUFACTURING SUCH A DEVICE
US9618275B1 (en) 2012-05-03 2017-04-11 Advanced Cooling Technologies, Inc. Hybrid heat pipe
EP3553445A1 (en) 2018-04-11 2019-10-16 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Improved heat pipe with capillar structures having reentering slots
EP3561428A1 (en) * 2018-04-11 2019-10-30 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Heat pipe with capillary pumping with improved operation
EP3809083A1 (en) * 2019-10-17 2021-04-21 Shinko Electric Industries Co., Ltd. Loop heat pipe

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4422501A (en) 1982-01-22 1983-12-27 The Boeing Company External artery heat pipe
FR2776764A1 (en) * 1998-03-30 1999-10-01 Atmostat Etudes Et Rech THERMAL EXCHANGE DEVICE WITH ACTIVE BIPHASIC FLUID AND METHOD FOR MANUFACTURING SUCH A DEVICE
US9618275B1 (en) 2012-05-03 2017-04-11 Advanced Cooling Technologies, Inc. Hybrid heat pipe
EP3553445A1 (en) 2018-04-11 2019-10-16 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Improved heat pipe with capillar structures having reentering slots
EP3561428A1 (en) * 2018-04-11 2019-10-30 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Heat pipe with capillary pumping with improved operation
EP3809083A1 (en) * 2019-10-17 2021-04-21 Shinko Electric Industries Co., Ltd. Loop heat pipe

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHRISTINE HOA: "Thermique des caloducs à rainures axiales : études et réalisations pour des applications spatiales", 2004, UNIVERSITÉ DE POITIERS
JOCELYN BONJOUR ET AL.: "Systèmes diphasiques de contrôle thermique - Thermosiphons et caloducs", TECHNIQUE DE L'INGÉNIEUR, 2015, pages BE9545
S. W. CHI: "Heat Pipe Theory and Practice", 1976, MCGRAW-HILL

Also Published As

Publication number Publication date
FR3138942A1 (en) 2024-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3553445B1 (en) Improved heat pipe with capillar structures having reentering slots
EP3027994B1 (en) Evaporator with simplified assembly for diphasic loop
EP2906895B1 (en) Method for manufacturing a heat exchanger containing a phase-change material, exchanger obtained and uses at high temperatures
FR2861166A1 (en) Heat exchanger e.g. air conditioning evaporator, for motor vehicle, has modules connected to inlet and outlet pipes for refrigerant fluid, and plane part delimiting space with plate to permit vertical movement for storage fluid
EP3561428B1 (en) Heat pipe with capillary pumping with improved operation
EP0567393B1 (en) High thermal performance plate evaporator working under nucleate boiling conditions
EP4325156A1 (en) Heat pipe of the capillary pumping type, with re-entrant grooves including at least one substrate porous at the evaporator
EP1068481B1 (en) Heat exchanging device with active two-phase fluid and method for making same
EP4325158A1 (en) Capillary pumping type heat pipe with re-entrant grooves transverse to the longitudinal axis of the heat pipe
EP4325155A1 (en) Heat pipe with non-cylindrical cross section, comprising evaporator with improved vapor-liquid interface structure to increase boiling limit
EP3027995B1 (en) Evaporator with non-return device for diphasic loop
WO2023066753A1 (en) Capillary-pumped-type heat pipe with reentrant grooves, having improved liquid management
EP3553443A1 (en) Thermosiphon and pulsed heat pipe with simplified production
EP0116503B1 (en) Procedure for constructing a thermal-energy storage device and device so constructed
WO2023066754A1 (en) Capillary-pumped-type heat pipe with re-entrant grooves, having increased boiling and capillary limits
EP3553444A1 (en) Improved heat pipe
WO2024027962A1 (en) Heat exchanger
WO2023066755A1 (en) Capillary-pumped-type heat pipe with re-entrant grooves, having increased thermal conductivity
FR3128278A1 (en) MODULE FOR THE MANUFACTURING OF A CAPILLARY PUMP HEAT PIPE WITH RE-ENTRATING GROOVES
EP3394546A1 (en) Heat exchanger, in particular for a motor vehicle
WO2017109354A1 (en) Heat exchanger, in particularl for a motor vehicle
FR2991760A1 (en) Heat exchanger for heat exchange between air and glycol-water in car, has collector including branches arranged between ends of two adjacent heat exchange tubes, so that thickness of branches defines space between adjacent tubes

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20230816

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR