FR2600073A1 - Thermal contact with high transfer coefficient and applications - Google Patents
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Abstract
Description
CONTACT THERMIQUE A FORT COEFFICIENT DE TRANSFERT
ET APPLICATIONS
La présente invention concerne un contact thermique a fort coefficient
de transfert entre deux matériaux pouvant avoir des coefficients de
dilatation différents.THERMAL CONTACT WITH HIGH TRANSFER COEFFICIENT
AND APPLICATIONS
The present invention relates to a high coefficient of thermal contact
transfer between two materials that may have
different dilation.
Ces matériaux sont choisis parmi les matériaux carbonés, les céramiques
et les métaux ou alliages métalliques.These materials are selected from carbon materials, ceramics
and metals or metal alloys.
Par matériaux carbonés, on entend essentiellement les carbones et les
graphites industriels, les composites carbone-carbone.Carbon materials are essentially carbon and
industrial graphites, carbon-carbon composites.
D'une manière générale, il est connu que de tels matériaux, notamment
s'ils ont des coefficients de dilatation différents, peuvent difficile
ment être assemblés avec un bon contact thermique, ce qui est dommagea
ble pour de nombreuses applications.In general, it is known that such materials, in particular
if they have different coefficients of expansion, can difficult
to be assembled with good thermal contact, which is harmful
ble for many applications.
Ainsi par exemple, dans les dispositifs où l'on a besoin de refroidir
un élément en matériau carboné par une circulation d'eau, la fragilité
et la porosité du matériau carboné empêche en général le refroidisse
ment direct et on est amené à fixer l'élément en matériau carboné un
élément métallique. Se posent alors les problèmes de la fixation méca
nique et du contact thermique.So for example, in devices where one needs to cool
an element made of carbon material by a circulation of water, the fragility
and the porosity of the carbonaceous material generally prevents cooling
directly and it is necessary to fix the element of carbon material a
metal element. Then arise the problems of fixation
and thermal contact.
Pour avoir un contact thermique acceptable, on doit excercer des pres
sions de serrage supérieures a 100 kPa. Dans les meilleurs cas, on
obtient des coefficients de transfert de l'ordre de 9 x 103 W.m-2.K-1.To have an acceptable thermal contact, we must exert
clamping pressures greater than 100 kPa. In the best cases,
gets transfer coefficients of the order of 9 x 103 Wm-2.K-1.
Ces coefficients de transfert sont très sensibles aux états de surface
des éléments et peu reproductibles, ce qui est évidemment très gênant.These transfer coefficients are very sensitive to surface conditions
elements and little reproducible, which is obviously very embarrassing.
Lorsque les flux de chaleur a transmettre sont très importants, comme,
par exemple, dans les réacteurs de fusion nucléaire type TOKOMAK ou encore dans la coulée continue, du fait des dilatations le contact
conductif se dégrade et l'échange de chaleur ne se fait plus que par
rayonnement. I1 y a alors un échauffement des pièces important cil
peut éventuellement être rédhibitoiie pour leu durée de vie. When the heat flows to be transmitted are very important, like,
for example, in nuclear fusion reactors of the TOKOMAK type or in continuous casting, because of the expansions the contact
conductivity is degraded and heat exchange is only
radiation. There is then a heating of the parts important eyelash
may possibly be redhibitoioiie for l lifespan.
Une façon de résoudre ce problème est le brasage. Cette solution, très efficace avec certains matériaux, est chère et impose une température d'utilisation inférieure à la température de fusion de la brasure.One way to solve this problem is soldering. This solution, very effective with certain materials, is expensive and imposes a lower operating temperature than the melting temperature of the solder.
De plus, pour les matériaux ayant des coefficients de dilatation très différents, il est possible, dans certains cas, de les braser en intercalant une feuille métallique qui accomode les contraintes. Il est alors nécessaire d'avoir recours à des métaux chers et délicats à mettre en oeuvre tels que molybdène, zirconium, etc... Enfin, les cérami- ques telles que carbure et nitrure de silicium sont extrêmement diffiles à braser surtout si elles sont frittées à une densité voisine de la densité théorique.In addition, for materials having very different expansion coefficients, it is possible, in some cases, to braze them by interposing a metal sheet which accommodates the stresses. It is then necessary to use expensive metals and delicate to implement such as molybdenum, zirconium, etc ... Finally, ceramics such as carbide and silicon nitride are extremely difficult to solder especially if they are sintered at a density close to the theoretical density.
Le but principal de l'invention est de disposer d'un contact thermique plus simple à mettre en oeuvre, plus économique et pouvant etre utilise à haute température -(supérieure à 20000C si les matériaux à assembler le permet-entj.The main object of the invention is to have a thermal contact simpler to implement, more economical and can be used at high temperature - (greater than 20000C if the materials to assemble permit-entj.
Selon l'invention, le contact thermique à fort coefficient de transfert entre deux matériaux pouvant avoir des coefficients de dilatation différents est caractérisé en ce qu'il est constitué par du graphite expansé comprimé, insére entre lesdits matériaux.According to the invention, the thermal contact with a high transfer coefficient between two materials that can have different expansion coefficients is characterized in that it consists of compressed expanded graphite, inserted between said materials.
Les matériaux à relier thermiquement sont choisis parmi: - les matériaux carbonés : carbones et graphites artificiels tels que
carbone vitreux, graphites polycristallins, etc ..., les composites
carbone-carbone, - les céramiques telles que carbure de silicium, nitrure de silicium,
carbure de bore, carbure de tantale, - les métaux et alliages métalliques
Selon l'invention, le contact thermique peut être, par exemple, inseré entre deux matériaux carbonés différents, un matériau carboné et un métal, une céramique et un métal.The materials to be thermally bonded are chosen from: - carbon materials: carbon and artificial graphites such as
vitreous carbon, polycrystalline graphites, etc ..., composites
carbon-carbon, - ceramics such as silicon carbide, silicon nitride,
boron carbide, tantalum carbide, - metals and metal alloys
According to the invention, the thermal contact may be, for example, inserted between two different carbonaceous materials, a carbon material and a metal, a ceramic and a metal.
Le graphite expansé comprimé possède une excellente conductivité thermique dans le plan de compression et une conductibilité thermique beaucoup moins bonne dans la direction perpendiclaire. Mais,il -ossède aussi une bonne élasticité. De ce fait, il permet de garder un contact conductif même pour de fortes déformations thermiques des matériaux.Compressed expanded graphite has excellent thermal conductivity in the plane of compression and much lower thermal conductivity in the perpendicular direction. But, it also has good elasticity. As a result, it keeps conductive contact even for strong thermal deformations of the materials.
On rappelle que ce type de graphite est obtenu par chauffage brutal de graphite lamellaire, à une température pouvant atteindre 10000C, donnant ainsi un graphite exfolié dont la densité est de l'ordre de 0,01. Ce graphite peut être ensuite comprimé en blocs de densité allant de 0,1 à 0,2 ou laminé en feuilles de 0,5 à 1 mm d'épaisseur, de densité de l'ordre de 1.It is recalled that this type of graphite is obtained by abrupt heating of lamellar graphite at a temperature up to 10000C, thus giving an exfoliated graphite whose density is of the order of 0.01. This graphite can then be compressed into blocks of density ranging from 0.1 to 0.2 or rolled into sheets of 0.5 to 1 mm thick, with a density of about 1.
Différents essais montrent que le coefficient de transfert thermique encre deux surfaces de matériaux pouvant avoir des coefficients de dilatation différents est toujours amélioré lorsque l'on insère du graphite expansé comprimé entre lesdites surfaces. Ce gain dépend de la température, de la pression de serrage des matériaux, de leur état de surface et de leur nature.Various tests show that the thermal transfer coefficient of two surfaces of materials which can have different expansion coefficients is always improved when compressed expanded graphite is inserted between said surfaces. This gain depends on the temperature, the clamping pressure of the materials, their surface condition and their nature.
Le graphite expansé peut, suivant l'invention, être inséré comprimé sous forme de feuille laminée ou comprimée. Il peut également être inséré non comprimé et être comprimé in situ lors de ia mise en place des matériaux. Cette dernière variante est avantageusement utilisée lorsque les surfaces des matériaux ne sont pas planes et /ou très rugueuses.Expanded graphite can, according to the invention, be inserted compressed in the form of rolled or compressed sheet. It can also be inserted uncompressed and compressed in situ when placing the materials. This last variant is advantageously used when the surfaces of the materials are not flat and / or very rough.
Le graphite expansé peut aussi comporter une charge telle que, par exemple, un métal qui améliore sa conductibilité.Expanded graphite may also comprise a filler such as, for example, a metal which improves its conductivity.
Les exemples suivants, donnés à titre indicatif et non limitatifs, illustrant l'invention.The following examples, given by way of indication and not limitation, illustrating the invention.
Exemple 1.Example 1
Un disque cyGindriqu de diamètre 50 un et d'épaisseur 15 mm est appliqué sur une surface métallique par appui central.A cylindrical disk of diameter 50 and thickness 15 mm is applied to a metal surface by central support.
Le graphite (nuance 1346 te la demanderesse) a un coe-ficient de dilatation de 5,5 à 6 x 10-6K-1.The graphite (grade 1346 and the applicant) has a coefficient of expansion of 5.5 to 6 × 10 -6 K -1.
Le métal est de l'inox 316L qui a un coefficient de dilatation de 16 x 10-6K-1.The metal is 316L stainless steel with a coefficient of expansion of 16 x 10-6K-1.
Des essais comparatifs sont réalisés à différentes pressions d'application avec la même puissance transmise égale à 75 watts, en utilisant ou non un contact thermique constitué par une feuille de graphite expanse comprimé de densité 1 et d'épaisseur 0,2 mm.Comparative tests are carried out at different application pressures with the same transmitted power equal to 75 watts, using or not a thermal contact consisting of a sheet of compressed expanded graphite of density 1 and thickness 0.2 mm.
Les résultats sont regroupés dans le tableau I ci-apres.The results are summarized in Table I below.
Tableau 1
Table 1
<tb> : <SEP> Pression <SEP> : <SEP> 10 <SEP> : <SEP> <SEP> 80 <SEP> : <SEP> 120
<tb> : <SEP> en <SEP> KPa
<tb> A <SEP> A <SEP> en
<tb> <SEP> W.m2K1 <SEP> 1,7-x <SEP> 10 <SEP> : <SEP> 1,4 <SEP> x <SEP> 10 <SEP> : <SEP> 2,2 <SEP> x
<tb> <SEP> B <SEP> en
<tb> : <SEP> W.m-2K-1 <SEP> 2,7 <SEP> x <SEP> 104 <SEP> 3,4 <SEP> x <SEP> 104 <SEP> 3,6 <SEP> x <SEP> 104 <SEP>
<tb>
A : Coefficient de transfert thermique sans contact thermique en
graphite expansé comprimé.<tb>: <SEP> Pressure <SEP>: <SEP> 10 <SEP>: <SEP><SEP> 80 <SEP>: <SEP> 120
<tb>: <SEP> in <SEP> KPa
<tb> A <SEP> A <SEP> in
<tb><SEP> W.m2K1 <SEP> 1.7-x <SEP> 10 <SEP>: <SEP> 1.4 <SEP> x <SEP> 10 <SEP>: <SEP> 2.2 <SEP> x
<tb><SEP> B <SEP> in
<tb>: <SEP> Wm-2K-1 <SEP> 2.7 <SEP> x <SEP> 104 <SEP> 3.4 <SEP> x <SEP> 104 <SEP> 3.6 <SEP> x <SEP> 104 <SEP>
<Tb>
A: Thermal transfer coefficient without thermal contact in
expanded graphite tablet.
B : Coefficient de transfert thermique avec contact thermique selon
l'invention.B: Thermal transfer coefficient with thermal contact according to
the invention.
Exemple 2.Example 2
L'exemple 2 est identique à l'exemple :, 5 la différence près que le graphite est remplacé par un autre graphite (nuance 5890 de la deman deresse) ayant un coefficient de dilatat:- de 4,5 l0-6 K-1 Le tableau 2 ci-après regroupe de manière semblable le résultat des essais faits dans les mêmes conditions que celles de l'exemple 1. Example 2 is identical to the example: with the difference that the graphite is replaced by another graphite (grade 5890 of the applicant) having a coefficient of dilatation: 4.5 × 10 -6 K -1 Table 2 below similarly groups the results of the tests made under the same conditions as those of Example 1.
Tableau 2
Table 2
<tb> Pression <SEP> : <SEP> 10 <SEP> : <SEP> <SEP> 80 <SEP> : <SEP> <SEP> 120
<tb> : <SEP> en <SEP> kPa
<tb> : <SEP> A' <SEP> en
<tb> <SEP> W.m-2.K-1 <SEP> : <SEP> 5 <SEP> x <SEP> 10 <SEP> . <SEP> 6 <SEP> x <SEP> 10 <SEP> : <SEP> 9 <SEP> x
<tb> : <SEP> B' <SEP> en
<tb> <SEP> W.m-2.K-1 <SEP> <SEP> 104 <SEP> : <SEP> 2 <SEP> x <SEP> 104 <SEP> : <SEP> 3 <SEP> x
<tb>
A': Coefficient de transfert thermique sans contact thermique en
graphite expansé comprimé.<tb> Pressure <SEP>: <SEP> 10 <SEP>: <SEP><SEP> 80 <SEP>: <SEP><SEP> 120
<tb>: <SEP> in <SEP> kPa
<tb>: <SEP> A '<SEP> in
<tb><SEP> Wm-2.K-1 <SEP>: <SEP> 5 <SEP> x <SEP> 10 <SEP>. <SEP> 6 <SEP> x <SEP> 10 <SEP>: <SEP> 9 <SEP> x
<tb>: <SEP> B '<SEP> in
<tb><SEP> Wm-2.K-1 <SEP><SEP> 104 <SEP>: <SEP> 2 <SEP> x <SEP> 104 <SEP>: <SEP> 3 <SEP> x
<Tb>
A ': Thermal transfer coefficient without thermal contact in
expanded graphite tablet.
B' Coefficient de transfert thermique avec contact thermique selon
l'invention.B 'Thermal transfer coefficient with thermal contact according to
the invention.
D'après ces essais, on constate que les coefficients de transfert thermicue avec un contact suivant l'invention sont de l'ordre ou supérieurs à 104W.m.-2.K-1. Avec d'autres couples de matériaux et/ou des conditions différentes, ils atteignent des valeurs de 6 x 104W.m. -2 . From these tests, it is found that the heat transfer coefficients with a contact according to the invention are of the order or greater than 104W.m.-2.K-1. With other material couples and / or different conditions, they reach values of 6 x 104W.m. -2.
Ces valeurs élevées montrent bien l'intérêt de l'invention.These high values show the interest of the invention.
L'invention permet ainsi de réaliser des assemblages thermiques divers par le choix du couple des matériaux pouvant avoir des coefficients de dilatation différents. Ces assemblages peuvent notamment constituer: - des tuiles de protection, des limiteurs ou des diverteurs pour réacteurs nucléaires de fusion, - des filières ou des coquilles pour coulée continue.The invention thus makes it possible to produce various thermal assemblies by choosing the pair of materials that can have different expansion coefficients. These assemblies may in particular constitute: - protection tiles, limiters or diverteurs for nuclear fusion reactors, - dies or shells for continuous casting.
Il est enfin à noter ur dernier avantage de l'invention : le contact thermique n'étant qu'inséré entre les matériaux, les assemblages réalisés pe-ent être aisèment démontés, ce qui peut, :oour certaines applications présenter de l'intérêt. Finally, it should be noted the last advantage of the invention: the thermal contact is only inserted between the materials, the assemblies can be easily dismounted, which may: oour applications have some interest.
Claims (14)
Priority Applications (8)
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---|---|---|---|
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ES87420162T ES2021386B3 (en) | 1986-06-16 | 1987-06-15 | THERMAL CONTACT OF GREAT TRANSFER COEFFICIENT AND APPLICATIONS IN THE COOLING OF A STRUCTURE SUBJECT TO AN INTENSE THERMAL FLOW. |
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DE8787420162T DE3768564D1 (en) | 1986-06-16 | 1987-06-15 | THERMAL CONNECTION WITH STRONG TRANSFER COEFFICIENT AND USES FOR COOLING AN ARRANGEMENT SUBJECT TO AN INTENSIVE THERMAL FLOW. |
AT87420162T ATE61651T1 (en) | 1986-06-16 | 1987-06-15 | THERMAL COMPOUND WITH STRONG TRANSFER COEFFICIENT AND USES TO COOL DOWN AN ARRANGEMENT SUBJECT TO INTENSE THERMAL FLOW. |
US07/163,115 US4852645A (en) | 1986-06-16 | 1987-06-15 | Thermal transfer layer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR8608981A FR2600073B1 (en) | 1986-06-16 | 1986-06-16 | THERMAL CONTACT WITH HIGH TRANSFER COEFFICIENT AND APPLICATIONS |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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FR2600073A1 true FR2600073A1 (en) | 1987-12-18 |
FR2600073B1 FR2600073B1 (en) | 1988-10-07 |
Family
ID=9336547
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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FR8608981A Expired FR2600073B1 (en) | 1986-06-16 | 1986-06-16 | THERMAL CONTACT WITH HIGH TRANSFER COEFFICIENT AND APPLICATIONS |
Country Status (1)
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FR (1) | FR2600073B1 (en) |
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FR2600073B1 (en) | 1988-10-07 |
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