FR2682746A1 - Heat exchanger intended for heat dissipator with heat-pipe effect and comprising a structure with several heat-exchange stages - Google Patents

Heat exchanger intended for heat dissipator with heat-pipe effect and comprising a structure with several heat-exchange stages Download PDF

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Abstract

The exchanger according to the invention comprises a structure with multiple stages (4 to 8), in which structure the condensates which are distributed in a plurality of relatively thin layers are brought to the upper stage (4) of the structure and descend from each stage to the adjacent lower layer through overspills (1-3-5-6), whilst the vapour rises in the opposite direction back towards a removal device. This exchanger may constitute the evaporator of a heat dissipator with heat-pipe effect, in particular with a view to cooling electronic components.

Description

ECHANGEUR DE CHALEUR DESTINE AUX DISSIPATEURS THERMIQUES
A EFFET CALODUC ET COMPORTANT UNE STRUCTURE A PLUSIEURS
ETAGES D'ECHANGES THERMIOUES. HEAT EXCHANGER FOR THERMAL DISSIPATORS
WITH A HEAT PIPE EFFECT AND COMPRISING A MULTIPLE STRUCTURE
THERMAL EXCHANGE FLOORS.

L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur utilisés dans les dissipateurs thermiques à effet caloduc et, plus particulièrement, en vue du refroidissement des composants électroniques.The invention relates to heat exchangers used in heat sinks with a heat pipe effect and, more particularly, for the cooling of electronic components.

On sait qu'un tel dissipateur met en oeuvre, dans un cycle de refroidissement fermé, le changement de phase d'un fluide caloporteur, qui peut être de l'eau, ou pour éviter d'avoir à résoudre des problèmes d'isolation électrique, un diélectrique, tel qu'un produit fluorocarboné et comprend une section évaporateur, dans laquelle le fluide est vaporisé par l'apport thermique de la source à refroidir (composant électronique par exemple) et une section condenseur dans laquelle la chaleur véhiculée par le fluide, qui se trouve lui-même transporté d'une section à l'autre, est évacuée vers un fluide ambiant (air ou fluide en convection naturelle ou forcée). Le fluide caloporteur, une fois condensé, revient vers l'évaporateur. We know that such a dissipator implements, in a closed cooling cycle, the phase change of a heat transfer fluid, which can be water, or to avoid having to solve electrical insulation problems. , a dielectric, such as a fluorocarbon product and comprises an evaporator section, in which the fluid is vaporized by the thermal contribution of the source to be cooled (electronic component for example) and a condenser section in which the heat conveyed by the fluid , which is itself transported from one section to another, is evacuated to an ambient fluid (air or fluid in natural or forced convection). The heat transfer fluid, once condensed, returns to the evaporator.

La résistance thermique correspondant au transfert de masse de la vapeur d'une section à l'autre est très faible, si bien que si l'on veut tirer parti de façon optimale des performances inhérentes à ce type de dissipateur, le problème qui se pose consiste principalement à minimiser les différentes résistances thermiques supplémentaires rencontrées aux diverses interfaces dans le circuit, sans pour cela compromettre le retour des condensats.The thermal resistance corresponding to the mass transfer of steam from one section to another is very low, so that if we want to take optimal advantage of the performances inherent in this type of dissipator, the problem that arises consists mainly in minimizing the various additional thermal resistances encountered at the various interfaces in the circuit, without thereby compromising the return of the condensates.

L'invention a pour objet un échangeur de chaleur pour dissipateur thermique à effet caloduc, agencé pour procurer une surface de contact particulièrement grande entre le condensat et la vapeur en même temps qu'un faible parcours de la vapeur dans le liquide.The subject of the invention is a heat exchanger for a heat sink effect, arranged to provide a particularly large contact surface between the condensate and the vapor at the same time as a short course of the vapor in the liquid.

L'échangeur suivant l'invention est principalement caractérisé par une structure à étages multiples dans laquelle le liquide caloporteur est distribué en une pluralité de couches relativement minces.The exchanger according to the invention is mainly characterized by a multistage structure in which the heat transfer liquid is distributed in a plurality of relatively thin layers.

L'invention s'applique, soit à des évaporateurs, soit à des condenseurs.The invention applies either to evaporators or to condensers.

Dans la première catégorie d'applications, le condensat est amené à l'étage supérieur de la structure de l'évaporateur et descend de chaque étage à l'étage inférieur contigu au moyen de trop-pleins, tandis que la vapeur remonte en sens inverse vers un dispositif d'évacuation.In the first category of applications, the condensate is brought to the upper stage of the evaporator structure and descends from each stage to the adjoining lower stage by means of overflows, while the vapor rises in the opposite direction. to an evacuation device.

Un tel évaporateur peut être agencé pour favoriser les échanges thermiques par convection et, dans ce cas, il est du type à faisceau tubulaire décrit dans la demande de brevet français déposé le même jour par la Demanderesse, pour "Echangeur de chaleur favorisant les transferts thermiques par convection.", et plus particulièrement illustré par la figure 3 de ladite demande. Le fluide à refroidir (courant d'air en convection naturelle ou forcée) circule alors dans des tubes verticaux qui traversent les réceptacles du condensat, formés par des planchers étagés à l'intérieur d'une enceinte, lesquels sont munis de trop-pleins.Such an evaporator can be arranged to promote heat exchange by convection and, in this case, it is of the tube bundle type described in the French patent application filed on the same day by the Applicant, for "Heat exchanger promoting heat transfers by convection. ", and more particularly illustrated by FIG. 3 of said application. The fluid to be cooled (air stream in natural or forced convection) then circulates in vertical tubes which pass through the condensate receptacles, formed by floors stepped inside an enclosure, which are provided with overflows.

Un évaporateur selon l'invention peut également être agencé pour favoriser les échanges par conduction, par exemple avec un composant électronique appliqué contre l'une de ses parois.An evaporator according to the invention can also be arranged to promote exchanges by conduction, for example with an electronic component applied against one of its walls.

I1 se caractérise alors par sa constitution sous la forme d'un bloc métallique parallélépipédique, de préférence une plaque disposée verticalement ou légèrement inclinée par rapport à un plan vertical, muni de logements étagés ouverts sur une grande face qui sera en communication avec un dispositif d'évacuation de la vapeur, lesdits logements étant inclinés par rapport au plan vertical dans un sens propre à retenir une couche relativement mince de condensat et communiquant entre eux par des trop-pleins. I1 is then characterized by its constitution in the form of a rectangular metal block, preferably a plate arranged vertically or slightly inclined relative to a vertical plane, provided with stepped housings open on a large face which will be in communication with a device steam evacuation, said housings being inclined relative to the vertical plane in a direction suitable for retaining a relatively thin layer of condensate and communicating with one another by overflows.

Suivant une forme d'exécution plus particulière, lesdits logements forment des couples de lignes horizontales et sont disposés en quinconce, des saignées jouant le rôle de trop-pleins entre chaque couple et le couple inférieur contigu.According to a more particular embodiment, said housings form pairs of horizontal lines and are arranged in staggered rows, grooves playing the role of overflows between each pair and the adjacent lower pair.

Dans l'application au condenseur, les logements dont est muni ledit bloc sont inclinés de façon à permettre l'évacuation du condensat par gravité et ne sont pas réunis par des trop-pleins.In the application to the condenser, the housings with which the said block is provided are inclined so as to allow the evacuation of the condensate by gravity and are not joined by overflows.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui suit, relative à deux exemples d'exécution d'un évaporateur à conduction.The invention will be better understood with the aid of the detailed description which follows, relating to two exemplary embodiments of a conduction evaporator.

Au dessin annexé
La figure 1 est une vue en élévation d'un éva
porateur à conduction conforme à l'invention
que
La figure 2 montre en coupe verticale et la
figure 3 en coupe horizontale par III-III de la
figure 1 ; et
La figure 4 est une vue schématique en perspec
tive d'une variante d'exécution d'un tel évapo
rateur.In the attached drawing
Figure 1 is an elevational view of an eva
conduction porator according to the invention
than
Figure 2 shows in vertical section and the
Figure 3 in horizontal section through III-III of the
figure 1 ; and
Figure 4 is a schematic perspective view
tive of an alternative embodiment of such an evapo
rator.

Aux figures 1 à 3, on a représenté une plaque d'échange thermique destinée à constituer la paroi de base de la section évaporateur d'un dissipateur à caloduc.In Figures 1 to 3, there is shown a heat exchange plate intended to constitute the base wall of the evaporator section of a heat sink.

Dans la vue en élévation de la figure 1, on aperçoit des évidements formant des augets tels que 4, 5, 6, 7, 8, fraisés dans l'épaisseur de la plaque, dont le fond (à l'exception de l'auget rectiligne 8) a le profil curviligne illustré par la figure 3.In the elevation view of Figure 1, we see recesses forming troughs such as 4, 5, 6, 7, 8, milled in the thickness of the plate, the bottom (except the trough 8) has the curvilinear profile illustrated in FIG. 3.

Ces augets ont une section transversale ayant un contour en U (figure 2) dont l'axe est, par exemple, incliné à 14" par rapport aux parois inférieures de la plaque.These buckets have a cross section having a U-shaped contour (FIG. 2) whose axis is, for example, inclined at 14 "relative to the lower walls of the plate.

A titre d'exemple, cette plaque est en cuivre et a une épaisseur de 16 mm, une hauteur de 60 mm et une longueur de 80 mm, la distance entre le fond des augets et la face en regard étant égale à 2 mm.For example, this plate is made of copper and has a thickness of 16 mm, a height of 60 mm and a length of 80 mm, the distance between the bottom of the buckets and the facing face being equal to 2 mm.

La plaque est mise en contact par sa face latérale de gauche (figure 2) avec le composant à refroidir. Le condensat est amené, par des moyens non figurés, à sa paroi supérieure et remplit successivement les augets 4 à 7 jusqu'au niveau des trop-pleins, tels que 1 à 3, qui les font communiquer entre eux. The plate is brought into contact by its lateral side on the left (FIG. 2) with the component to be cooled. The condensate is brought, by means not shown, to its upper wall and successively fills the buckets 4 to 7 up to the level of the overflows, such as 1 to 3, which make them communicate with each other.

Le dernier auget 8 peut se remplir complètement et sert de réserve de condensat. Sur la face latérale de droite de la plaque, une pièce non figurée loge le dispositif d'évacuation de la vapeur.The last trough 8 can be completely filled and serves as a condensate reserve. On the right side of the plate, a part not shown houses the steam evacuation device.

Dans la variante de la figure 4, les augets sont formés par des trous borgnes cylindriques qui peuvent être inclinés ou horizontaux (dans ce dernier cas, c'est la plaque qui sera inclinée pour que les trous forment réceptacles).In the variant of FIG. 4, the buckets are formed by cylindrical blind holes which can be inclined or horizontal (in the latter case, it is the plate which will be inclined so that the holes form receptacles).

Ces trous sont alignés par couples de lignes longitudinales telles que 9-10 et 11-12, 13-14 et 15-16, les trous de deux lignes d'un même couple étant disposés en quinconce et les couples de lignes étant séparés par des intervalles égaux à un rayon des trous.These holes are aligned in pairs of longitudinal lines such as 9-10 and 11-12, 13-14 and 15-16, the holes of two lines of the same couple being staggered and the pairs of lines being separated by intervals equal to a radius of the holes.

Des fraisages tels que 17-18 permettent de constituer des trop-pleins entre les trous d'un couple et ceux du couple inférieur voisin.Milling operations such as 17-18 make it possible to form overflows between the holes of a couple and those of the neighboring lower couple.

Un fraisage 19, moins profond que les précédents, permet la collecte de la vapeur vers un orifice 20 en communication avec une évacuation 21.Milling 19, which is less deep than the previous ones, allows the collection of steam to an orifice 20 in communication with an outlet 21.

Le condensat est amené, par des moyens non figurés, à travers une entrée 22.The condensate is brought, by means not shown, through an inlet 22.

Un couvercle, non représenté, recouvre la face avant de la plaque. Le composant à refroidir est placé au contact de sa face arrière.A cover, not shown, covers the front face of the plate. The component to be cooled is placed in contact with its rear face.

I1 est clair que, dans les évaporateurs des figures 1 à 4, le transfert thermique, qui s'effectue principalement par conduction, entre le métal de la plaque et le liquide à vaporiser, est favorisé par la faible épaisseur du métal et par la grande surface de contact avec le liquide réfrigérant, lequel est réparti au sein de la masse de métal. La vaporisation est favorisée par le fait que la surface libre liquide-vapeur est très importante et que la couche de liquide dans chaque auget est relativement mince, ce qui favorise l'évacuation des bulles de vapeur. It is clear that, in the evaporators of FIGS. 1 to 4, the heat transfer, which takes place mainly by conduction, between the metal of the plate and the liquid to be vaporized, is favored by the small thickness of the metal and by the great contact surface with the coolant, which is distributed within the mass of metal. Vaporization is favored by the fact that the free liquid-vapor surface is very large and that the layer of liquid in each bucket is relatively thin, which promotes the evacuation of the vapor bubbles.

La disposition des trous, dans la variante préférée de la figure 4, permet d'en multiplier le nombre, donc d'optimiser les résultats.The arrangement of the holes, in the preferred variant of FIG. 4, makes it possible to multiply the number thereof, therefore to optimize the results.

On notera qu'une structure du même genre, ctest-à-dire constituée d'une plaque munie d'une multiplicité de trous borgnes inclinés constituant des réceptacles pour le condensat, pourra être utilisée pour réaliser un condenseur destiné à favoriser les échanges thermiques par conduction.It will be noted that a structure of the same kind, that is to say consisting of a plate provided with a multiplicity of inclined blind holes constituting receptacles for the condensate, may be used to produce a condenser intended to promote heat exchange by conduction.

Dans une telle application, lesdits trous seront toutefois inclinés en sens inverse de celui représenté à la figure 2, les réceptacles dans lesquels pénètre la vapeur pour former le condensat devant en effet être agencés pour que ce dernier s'écoule directement de chaque logement par gravité vers un dispositif d'évacuation situé dans la partie inférieure de la plaque. Les dispositifs de trop-pleins se sont pas prévus et l'intérieur des réceptacles est poli pour limiter l'épaisseur du film liquide.In such an application, said holes will however be inclined in the opposite direction to that shown in FIG. 2, the receptacles into which the vapor penetrates to form the condensate must in fact be arranged so that the latter flows directly from each housing by gravity towards an evacuation device located in the lower part of the plate. The overflow devices are not provided and the interior of the receptacles is polished to limit the thickness of the liquid film.

L'agencement selon l'invention procurera alors les mêmes avantages que dans son application à l'évaporateur. The arrangement according to the invention will then provide the same advantages as in its application to the evaporator.

Claims (6)

RevendicationsClaims 1. Echangeur de chaleur destiné aux dissipateurs thermiques à effet caloduc, et mettant en oeuvre le changement de phase d'un fluide caloporteur, caractérisé par une structure à étages multiples (4 à 8) dans laquelle les condensats sont distribués en une pluralité de couches relativement minces. 1. Heat exchanger intended for heat sinks with heat pipe effect, and implementing the phase change of a heat transfer fluid, characterized by a multistage structure (4 to 8) in which the condensates are distributed in a plurality of layers relatively thin. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, et fonctionnant en évaporateur, caractérisé en ce que les condensats sont amenés à l'étage supérieur (4) de la structure et descendent de chaque étage à l'étage inférieur contigu au moyen de trop-pleins (1-3-5-6), tandis que la vapeur remonte en sens inverse vers un dispositif d'évacuation. 2. Heat exchanger according to claim 1, and operating as an evaporator, characterized in that the condensates are brought to the upper stage (4) of the structure and descend from each stage to the adjoining lower stage by means of too- full (1-3-5-6), while the steam rises in the opposite direction to an evacuation device. 3. Evaporateur selon la revendication 2, agencé pour favoriser les échanges par conduction, caractérisé en ce qu'il a la forme d'un bloc métallique parallélépipédique, de préférence une plaque disposée verticalement ou légèrement inclinée par rapport au plan vertical, muni de logements (4-7) ouverts sur une grande face et inclinés par rapport au plan vertical dans un sens propre à retenir une couche relativement mince de condensat, lesdits logements constituant lesdits étages. 3. Evaporator according to claim 2, arranged to promote exchanges by conduction, characterized in that it has the shape of a parallelepipedal metal block, preferably a plate arranged vertically or slightly inclined relative to the vertical plane, provided with housings (4-7) open on a large face and inclined relative to the vertical plane in a direction suitable for retaining a relatively thin layer of condensate, said housings constituting said stages. 4. Evaporateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits logements forment des couples de lignes horizontales (9-10 et 11-12 ; 13-14 et 15-16) et sont disposés en quinconce, des saignées (1718) jouant le rôle de trop-pleins entre chaque couple et le couple inférieur contigu. 4. Evaporator according to claim 3, characterized in that said housings form pairs of horizontal lines (9-10 and 11-12; 13-14 and 15-16) and are staggered, grooves (1718) playing the role of overflows between each pair and the adjacent lower pair. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, et fonctionnant en condenseur, caractérisé en ce qu'il a la forme d'un bloc métallique parallélépipédique, de préférence une plaque disposée verticalement ou légèrement inclinée par rapport au plan vertical, muni de logements (4-7) ouverts sur une grande face, et inclinés de façon à permettre l'évacuation directe du condensat par gravité à partir de chaque logement. 5. Heat exchanger according to claim 1, and operating as a condenser, characterized in that it has the shape of a parallelepiped metal block, preferably a plate arranged vertically or slightly inclined relative to the vertical plane, provided with housings ( 4-7) open on a large face, and inclined so as to allow the direct evacuation of the condensate by gravity from each housing. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'intérieur des logements a une surface polie.  6. Heat exchanger according to claim 5, characterized in that the interior of the housings has a polished surface.
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