FR2812828A1 - Procede de fabrication de dispositif d'echange thermique et dispositif d'echange thermique obtenu par ce procede - Google Patents

Procede de fabrication de dispositif d'echange thermique et dispositif d'echange thermique obtenu par ce procede Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication de dispositifs d'échange thermique utilisés notamment dans le domaine de l'électronique, des télécommunications, de l'aéronautique et/ ou du spatial. Il peut s'agir par exemple, d'échangeurs thermiques pour équipement électronique embarqué, ou de boîtiers pour équipement électronique embarqué, ou de drains thermiques pour équipement électronique embarqué, ou de radiateurs déployables ou non, ou de caloducs, ou de boucles fluides ou de plaques refroidissantes creuses à ailettes, etc. Ce procédé comprend les opérations consistant à- réaliser un noyau (1) selon une géométrie adaptée pour la circulation d'un fluide ainsi que pour favoriser les échanges thermiques entre ce fluide et l'environnement du dispositif;- insérer ce noyau (1) au sein d'un matériau de base (8) étant sous forme de poudre;- densifier le matériau de base (8) autour du noyau (1); et - dissoudre sélectivement le noyau (1) par voie chimique.

Description

L'invention concerne le domaine des procédés de fabrication de dispositifs
d'échange thermique ainsi que celui des dispositifs d'échange
thermique eux-mêmes.
Notamment, il peut s'agir de dispositifs d'échange thermique utilisé dans le domaine de l'électronique, des télécommunications, de l'aéronautique et/ou du spatial. Il peut s'agir par exemple, d'échangeurs thermiques pour équipement électronique embarqué, ou de boîtiers pour équipement électronique embarqué, ou de drains thermiques pour équipement électronique embarqué, ou de radiateurs déployables ou non, ou de caloducs, ou de boucles fluides ou de plaques refroidissantes creuses à ailettes, etc. Dans le domaine spatial, tout comme dans celui des télécommunications, les densités de puissance thermique dissipées par certains composants électroniques et équipements sont de plus en plus élevées. L'extraction et l'évacuation par voie radiative de tels flux thermiques impliquent l'utilisation, non seulement de nouveaux matériaux toujours plus performants au niveau de l'assemblage avec les éléments dissipatifs, mais surtout de technologies de refroidissement et de contrôle thermique de plus en plus performantes. Par exemple, la densité de puissance thermique dissipée à bord des satellites, qui peut atteindre plusieurs kilowatts, nécessite l'utilisation de technologies de refroidissement faisant appel à des circulations forcées ou non, des fluides caloporteurs monophasiques ou diphasiques (boucle fluide, caloduc, etc.) et à des
radiateurs déployables.
Les technologies de refroidissement et de contrôle thermique sont mises en ceuvre sur des dispositifs de transfert et d'échange thermique dont la réalisation suppose des techniques d'usinage et d'assemblage complexes et coûteuses. En effet, ces dispositifs doivent présenter d'excellentes performances thermo-mécaniques, ainsi que des niveaux d'étanchéité élevés. En outre, les besoins en dispositifs d'échange thermique présentant des capacités d'échange de plus en plus importantes, débouchent également sur un accroissement des surfaces fixes ou déployables. De telles surfaces rendent la réalisation de ces dispositifs encore plus complexe et plus coûteuse si l'on souhaite conserver une bonne fiabilité. De plus, ces dispositifs doivent être constitués de matériaux
spécifiques qui offrent les niveaux de performance requis et qui sont eux-
mêmes souvent coûteux.
Un but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication de dispositifs de transfert et d'échange thermique moins complexe et donc moins coûteux, que ceux de l'art antérieur, tout en conservant, voire en
améliorant, la fiabilité de tels dispositifs.
Ce but est atteint selon l'invention par un procédé de fabrication de dispositifs d'échange thermique caractérisé par le fait qu'il comprend les operations consistant à: - réaliser un noyau selon une géométrie adaptée pour la circulation d'un fluide ainsi que pour favoriser les échanges thermiques entre ce fluide et l'environnement du dispositif; - insérer ce noyau au sein d'un matériau de base étant sous forme de poudre; densifier le matériau de base autour du noyau; et
- dissoudre sélectivement le noyau par voie chimique.
L'appellation noyau désigne tout élément inséré au sein du matériau de base avant densification par pressage isostatique ou extrusion et dont l'enlèvement postérieur par voie chimique sélective laisse subsister une
forme complémentaire de celui-ci au sein du matériau de base.
Ainsi, grâce au procédé selon l'invention, on réalise industriellement des dispositifs de transfert et d'échange thermique avec des étapes
d'usinage et d'assemblage particulièrement simplifiées.
En effet, I'utilisation d'un noyau permet de réaliser des structures internes creuses sans avoir à assembler les parties usinées pour former ces structures internes, le matériau de base pouvant être densifié sous forme
d'un bloc d'un seul tenant autour de la totalité du noyau.
C'est le noyau lui-même qui doit être usiné et ceci est aisé puisque l'on peut y accéder par sa périphérie, ce qui n'est pas toujours le cas à
l'intérieur d'une structure creuse.
En permettant de limiter, voire de supprimer les étapes d'usinage et d'assemblage des différentes parties d'un dispositif d'échange thermique, on réduit les coûts de fabrication. Mais, en outre, on rend le dispositif plus fiable puisque l'on réduit également, voire on supprime, les surfaces d'assemblage. Le dispositif réalisé selon le procédé conforme à la présente invention, présente alors de meilleures propriétés mécaniques et
d'étanchéité.
Le fait de créer une structure interne creuse directement lors de la densification du matériau constitutif du dispositif d'échange thermique, permet donc d'obtenir une excellente fiabilité et un meilleur rapport
coût/performance en raison de la simplicité du procédé selon l'invention.
Le terme " dispositif d'échange thermique " recouvre des éléments dont la fonction peut être d'évaporer ou de condenser, mais aussi des fonctions mixtes. Ces fonctions d'échanges thermiques sont réalisées par voies conductrice et radiative. Ces fonctions sont particulièrement bien remplies grâce aux propriétés thermiques des composites à matrices métalliques tels que l'aluminium-béryllium, ainsi que grâce à des
revêtements de surface.
L'aluminium-béryllium est un composite à matrice métallique dans le sens qu'il est sous forme d'une matrice d'aluminium dans laquelle sont dispersés des grains de béryllium. Il ne s'agit donc pas à proprement parler
d'un alliage.
Le procédé selon l'invention est alors particulièrement avantageux,
car si l'aluminium-béryllium est très intéressant pour ces propriétés thermo-
mécaniques, il est très délicat à usiner et assembler. Son utilisation nécessite la mise en oeuvre de techniques spécifiques souvent onéreuses telles que la brasure et la soudure par laser ou par bombardement électronique. L'aluminium-béryllium est largement utilisé dans le domaine thermique, notamment à bord des satellites, parce qu'il offre des propriétés thermo-mécaniques très performantes (très grande raideur avec une densité avoisinant 2, conductivité thermique très élevée, voisine de 240
W/m K, et surtout un coefficient d'expansion thermique assez faible).
Ce matériau offre en effet des propriétés uniques: - il a des propriétés mécaniques équivalentes par exemple à l'alliage 6061; - il est trois fois plus raide que les alliages d'aluminium; - il est plus léger de 24% par rapport aux alliages d'aluminium; - sa conductivité thermique est supérieure de 25% à celle des alliages d'aluminium; - son coefficient d'expansion thermique est inférieur de 40% à celui des alliages d'aluminium; - il a une chaleur massique supérieure de 75% à celle des alliages d'aluminium; et
- il a une très bonne aptitude à recevoir des traitements thermo-
optiques de surface.
Le matériau de base est donc avantageusement un composite à structure métallique tel que l'aluminium-béryllium et plus particulièrement
l'AIBeMet 162, matériau élaboré par la société BRUSH WELLMAN.
Son utilisation est facilitée grâce au procédé selon l'invention, lequel répond alors parfaitement aux nouveaux besoins en matière de thermique dans le domaine spatial. En effet, pour les applications mettant en oeuvre
des dispositifs embarqués, le rapport masse/performance est déterminant.
Avec un composite d'aluminium-béryllium, le procédé selon I'invention permet de garantir de manière fiable et sans usinage complexe, le respect des exigences suivantes: étanchéité intrinsèque, haute
résistance mécanique, grande rigidité structurelle et grande légèreté.
La mise en oeuvre du procédé selon l'invention permet la réalisation industrielle de dispositifs d'échange thermique tels que des échangeurs thermiques de boîtiers pour équipements électroniques embarqués, des embases de boîtiers pour équipements électroniques embarqués, des drains thermiques pour équipements électroniques embarqués, des radiateurs, des caloducs, des boucles fluides, des plaques refroidissantes creuses à ailettes, etc. Notons que les propriétés du composite aluminium-béryllium sont telles qu'il est également avantageusement utilisé pour la réalisation de panneaux radiatifs très légers. Le procédé selon l'invention comporte les caractéristiques avantageuses suivantes prises isolément ou en combinaison: - l'opération consistant à densifier le matériau de base est réalisée par pressage isostatique à chaud; - le matériau de base est extrudé autour du noyau;
- le noyau est en cuivre.
Les propriétés particulières de la structure interne creuse sont données par des formes et des profils de noyaux spécifiques à l'application visée. Ainsi, les noyaux ont une forme complémentaire de la structure interne souhaitée. Cette forme est définie par les besoins du domaine d'utilisation. Par exemple, les noyaux peuvent être massifs ou creux, sphériques, parallélépipédiques ou coniques, tubulaires avec des sections comportant des usinages spécifiques tels que des rainures, des stries, des formes triangulaires, des formes en étoile, etc. Les noyaux peuvent être conformés pour présenter des tronçons linéaires, et/ou courbes (serpentins, etc.). Les noyaux peuvent également être interconnectés ou isolés, ainsi que positionnés pour former des structures à deux dimensions ou à trois dimensions. Les dimensions d'un noyau peuvent être quelconque, du
millimétrique ou métrique, avec des finesses d'usinage pouvant être sub-
millimétriques. Les noyaux peuvent être réalisés par tout procédé d'usinage, de mise en forme ou d'assemblage dans un matériau compatible à la fois avec le procédé de pressage isostatique à chaud (et/ou d'extrusion) et avec
l'opération d'enlèvement du noyau par voie chimique sélective.
Le noyau peut faire l'objet de traitements de surfaces particuliers ainsi que d'une préparation ou d'un assemblage spécifique permettant leur compatibilité avec l'utilisation du matériau de base (température, pression,
etc.), dans le procédé selon l'invention.
Un autre but de la présente invention est de fournir un dispositif de transfert et d'échange thermique présentant des performances mécaniques et thermiques, ainsi que des niveaux d'étanchéité au moins aussi élevés
que ceux de l'art antérieur, mais moins coûteux.
Cet autre but est atteint par un dispositif d'échange thermique formé d'un matériau de base densifié à partir d'une poudre, caractérisé par le fait que qu'il comporte une structure interne creuse correspondant à l'empreinte laissée par un noyau dissous sélectivement au sein du matériau de base densifié. Le dispositif selon l'invention présente avantageusement les caractéristiques suivantes prises séparément ou en combinaison: - le matériau de base est un composite d'aluminium-béryllium; - il correspond à un dispositif compris dans la liste comprenant un échangeur thermique de boîtier pour équipement électronique embarqué, une embase de boîtier pour équipement électronique embarqué, un drain thermique pour équipement électronique embarqué, un radiateur, un caloduc, une boucle fluide et une plaque refroidissante creuse à ailettes; - il comporte une structure interne creuse comprenant au moins une section correspondant à l'empreinte d'un noyau présentant un usinage spécifique tel que des stries; - il comporte une structure interne creuse présentant un motif de dimension sub-millimétrique;
- il comporte une structure interne développée en trois dimensions.
D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la
lecture de la description détaillée qui suit.
L'invention sera également mieux comprise à l'aide des références aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement les différentes étapes (figures la, b, c, d) d'un exemple de mise en oeuvre d'un procédé conforme à la présente invention; - la figure 2 représente en coupe, un exemple de géométrie d'un noyau usiné (figure 2a) ainsi que la structure interne creuse laissée après enlèvement de ce noyau (figure 2b); et - la figure 3 représente un autre exemple de dispositif d'échange
thermique obtenu par le procédé selon l'invention représenté à la figure 1.
Le procédé selon l'invention est décrit de manière détaillée ci-
dessous, dans un mode de mise en oeuvre particulier mais non limitatif.
Selon cet exemple de mise en oeuvre, on réalise un radiateur déployable
avec un réseau en serpentin intégré.
Comme représenté sur la figure 1, selon cet exemple de mise en
oeuvre, le procédé selon l'invention comporte quatre étapes.
Selon la première étape, on prépare et on usine le noyau 1 (figure la). Dans le cas présent, le noyau est en cuivre mais d'autre matériaux peuvent être utilisés. Le noyau 1 est conformé en serpentin, comme représenté sur la figure la. Ce noyau 1 a une forme tubulaire creuse et la surface externe comporte des stries 2 s'étendant longitudinalement (figure 2a). Le diamètre externe de ce noyau 1 est de l'ordre de quelques millimètres (par exemple 6 mm). Ces stries 2 forment des structures qui, en
coupe, ont une forme triangulaire, avec une pointe s'étendant radialement.
La profondeur de ces stries 2 est de l'ordre d'une centaine de microns.
L'usinage des stries 2 est plus aisé que ne le serait celui des stries sur la surface interne d'une cavité cylindrique, comme ce serait le cas si l'on avait souhaité réaliser leur forme complémentaire directement sur du matériau de base. Selon la deuxième étape, on incorpore le noyau 1 au sein d'une
poudre 4 d'un matériau de base (figure lb). Ce matériau est de l'aluminium-
béryllium. La poudre 4 est introduite dans un moule 6 avant de subir un
pressage isostatique à chaud (figure lb).
A l'issue de cette étape, on obtient un bloc 8 dont la géométrie externe, déterminée par la forme du moule 6, est avantageusement déjà
très proche de celle que prendra le radiateur dans sa réalisation finale.
Selon la troisième étape, le bloc 8 est usiné pour faire apparaître les
extrémités 10 du noyau 1 (figure lc).
Avantageusement, cette étape est facilitée par un repérage préalable de ces extrémités 10 par radiographie aux rayons X. Selon la quatrième étape, on procède à une attaque chimique du noyau 1. Pour ce faire, on introduit le bloc 8 dans un bain d'attaque. Le bain d'attaque permet un déplacement ionique sélectif, par exemple par le perchlorure de fer. Ce bain d'attaque permet de dissoudre sélectivement le noyau 1, tout en laissant intact le bloc 8 et plus particulièrement la structure interne creuse correspondant à l'empreinte du noyau 1 dans ce bloc 8 (voir
figures 1 d et 2b).
Le bloc 8 peut ensuite être usiné extérieurement en fonction des besoins. De nombreuses formes géométriques de réseaux et agencements particuliers peuvent être réalisés d'une manière industrielle peu coûteuse,
grâce au procédé selon l'invention.
On a également représenté sur la figure 3 un autre exemple de dispositif conforme à l'invention. Il s'agit d'une plaque 12 creuse à ailettes, aussi appelée par l'homme du métier selon la terminologie anglo-saxonne " Finned Hollow Core Cold Plate ". Cette plaque 12 comporte des canaux 14 à section rectangulaire (inférieure par exemple au millimètre carré), s'étendant longitudinalement parallèlement à ses faces principales 16. La grande dimension de leur section rectangulaire est perpendiculaire à ses faces principales 16. Ces canaux 14 sont typiquement distants les uns des
autres d'une distance millimétrique.

Claims (12)

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication de dispositifs d'échange thermique caractérisé par le fait qu'il comprend les opérations consistant à - réaliser un noyau (1) selon une géométrie adaptée pour la circulation d'un fluide ainsi que pour favoriser les échanges thermiques entre ce fluide et l'environnement du dispositif; - insérer ce noyau (1) au sein d'un matériau de base (8) étant sous forme de poudre; - densifier le matériau de base (8), autour du noyau (1); et
- dissoudre sélectivement le noyau (1) par voie chimique.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau
de base (8) est un composite d'aluminium-béryllium.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le
fait que l'opération consistant à densifier le matériau de base (8) est
réalisée par pressage isostatique à chaud.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le
fait que le matériau de base (8) est extrudé autour du noyau (1).
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le
fait que le noyau (1) est en cuivre.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le
fait qu'il comporte une opération d'usinage du noyau (1) pour former des
stries (2) sur sa surface externe.
7. Dispositif d'échange thermique formé d'un matériau de base (8) densifié à partir d'une poudre, caractérisé par le fait que qu'il comporte une structure interne creuse correspondant à l'empreinte laissée par un noyau (1) dissous sélectivement au sein du matériau de base (8) densifié.
8. Dispositif d'échange thermique selon la revendication 7, caractérisé par
le fait que le matériau de base (8) est un composite d'aluminium-
béryllium.
9. Dispositif d'échange thermique selon l'une des revendications 7 et 8,
caractérisé par le fait qu'il correspond à un dispositif compris dans la liste comprenant un échangeur thermique de boîtier pour équipement électronique embarqué, une embase de boîtier pour équipement électronique embarqué, un drain thermique pour équipement électronique embarqué, un radiateur, un caloduc, une boucle fluide et
une plaque refroidissante creuse à ailettes.
10. Dispositif d'échange thermique selon l'une des revendications 7 à 9,
caractérisé par le fait qu'il comporte une structure interne creuse comprenant au moins une section correspondant à l'empreinte d'un
noyau (1) présentant un usinage spécifique tel que des stries (2).
11. Dispositif d'échange thermique selon l'une des revendications 7 à 10,
caractérisé par le fait qu'il comporte une structure interne creuse présentant un motif (2) de dimension sub-millimétrique
12. Dispositif d'échange thermique selon l'une des revendications 7 à 11,
caractérisé par le fait qu'il comporte une structure interne développée en
trois dimensions.
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