WO2014013035A1 - Dispositif de contrôle thermique - Google Patents

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WO2014013035A1
WO2014013035A1 PCT/EP2013/065236 EP2013065236W WO2014013035A1 WO 2014013035 A1 WO2014013035 A1 WO 2014013035A1 EP 2013065236 W EP2013065236 W EP 2013065236W WO 2014013035 A1 WO2014013035 A1 WO 2014013035A1
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heat
flat
tube
enclosure
flat enclosure
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PCT/EP2013/065236
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Christophe Figus
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Astrium Sas
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Definitions

  • the present invention relates to the field of thermal control devices.
  • thermo control device uses a two-phase thermal enclosure (heat pipe).
  • thermal control is meant maintaining a given equipment at a temperature within a predetermined range.
  • the heat produced by one or more heat sources must be collected and transported to areas where it can escape into heat sinks (radiators).
  • Such a requirement is particularly critical for electronic equipment embedded on satellite. Indeed, said equipment is highly dissipative and must be maintained in a given temperature range despite significant variations in the thermal environment of the satellite and an inability to evacuate heat by natural or forced convection.
  • radiator panels which dissipate heat by radiation to the cold space, and walls carrying the dissipative electronic equipment, said equipment panels.
  • the heat dissipated by the equipment is collected at the equipment door panels and must be evacuated to the radiator panels.
  • thermal coupling between equipment panels and radiator panels is critical to ensure the proper evacuation of the heat dissipated by the electronic equipment.
  • This thermal coupling is also complex to achieve because of the limited space available within the satellite, related to the size of the equipment and their geometry.
  • the thermal control system must meet conflicting needs, because it must both ensure efficient collection of the heat produced by the dissipative equipment, and allow efficient thermal transport over a potentially large distance between the door panels. equipment and panels radiators.
  • Heat pipes are conventionally used to provide the thermal transport function.
  • a heat pipe uses the phase change of a fluid to ensure the collection of heat in a hot place, and its transfer as a vapor to a cold place.
  • a tubular heat pipe is conventionally composed of a closed tube in which the liquid and gaseous phases of the same fluid maintained under pressure coexist. The heat pipe makes it possible to store the heat by evaporation and to restore it by condensation of the fluid.
  • a first part of the heat pipe is, for this purpose, disposed in the vicinity of a heat source, such as for example a dissipative element of thermal energy.
  • a heat source such as for example a dissipative element of thermal energy.
  • the liquid contained in the heat pipe vaporizes by absorbing heat.
  • the steam thus created propagates inside the heat pipe to another part of the heat pipe, called cold zone (condenser), disposed in the vicinity of a heat sink.
  • the gas then condenses by returning the previously absorbed heat.
  • the necessary circulation of the liquid between the cold zone and the hot zone is commonly done by capillarity, which is facilitated by the use of grooves, lattices, arteries or metal foam disposed on the inner surface of the heat pipe.
  • a heat source is typically an equipment or equipment panel.
  • a typical heat sink is a radiator panel.
  • a heat pipe can be in thermal contact with several heat sources and several heat sinks.
  • the conduit of a tubular heat pipe is a cylindrical tube whose inner wall is grooved, for example by extrusion, thereby creating the capillary structure through which the liquid passes.
  • the typical length of a tubular heat pipe embedded on a satellite for cooling panels is from a meter to a few meters and its diameter from one to a few centimeters.
  • the heat produced by the equipment mounted on a satellite panel must be transported to another panel of the satellite, or to another part of the same panel (it is also possible to have a heat pipe which spreads over the radiator heat by doing at the same time interface with one or more dissipative equipment), where it will be dissipated.
  • the tubular heat pipes can be extended so that they carry the heat from one panel to the other (they are bent at the intersection). The heat is effectively removed when at least one of the two panels is in the shade (or at low solar incidence).
  • the main limitation observed is the heat collection capacity by the heat pipes for a given heat flow density.
  • the number of heat pipes to be positioned is sized by the heat collection and in this case, the heat pipe network is oversized for the heat transport from one panel to another and / or the diffusion of heat. heat on a panel, resulting in a large surplus of mass.
  • the performance of the heat exchange at the heat pipe is proportional to the heat exchange surface internal to the heat pipe (grooves for example) and therefore to minimize the thermal gradients it is sometimes necessary to multiply the number of heat pipes.
  • the invention is aimed primarily at a heat exchange and transfer device consisting of a closed cavity containing a two-phase fluid, said device comprising: at least one heat exchange zone comprising a flat enclosure configured in the form of a volume whose dimension is considerably smaller than the other two, typically at least ten times smaller, said flat enclosure having a first capillary structure on all or part of its inner surface, allowing the fluid in its liquid form to wet said first capillary structure,
  • At least one heat transport zone configured in the form of at least one tube (and more generally of several tubes) having a second capillary structure on all or part of its internal face
  • said flat enclosure and said at least one tube being connected so that the vapor can circulate freely throughout the cavity, and that continuity of capillarity is ensured between the first and second capillary structures so that the liquid can wet the entire capillary structure thus formed.
  • thermo regulation device implementing a thermal enclosure containing a two-phase fluid, said device comprising:
  • At least one heat exchange zone comprising a heat pipe configured in the form of a thin envelope (that is to say a large exchange surface with a very small thickness, typically at least ten times smaller, than the other dimensions), said exchange zone being said "flat enclosure” (which can be in the form of a plate in one, two or three dimensions),
  • At least one heat transport zone configured in the form of at least one tubular heat pipe, said tubular heat pipe being called a "tube"
  • connection node between the flat enclosure and the tube, said connection node having a continuity of capillarity between the flat enclosure and the tube.
  • the capillary dimension of the grooves, pores, cells, lattices, etc. which ensure the flow of the fluid in liquid form through the node is of substantially the same size (in a ratio of 0.5 to 2) as the capillary dimension of the tubular heat pipe.
  • said tubes have steam ducts whose sum of the passage sections is substantially equal to the vapor passage section of said flat enclosure, in order to facilitate the flow of steam between the flat enclosure and the tubes.
  • the device of the invention independently solves the dimensioning suitable for heat transport, and the dimensioning adapted to the heat exchange, with a single system.
  • the device uses on the one hand a tubular heat pipe (tube) without heat exchange function for the heat transport function, this tubular heat pipe being of small dimensions, and capable of accepting a geometry dictated by the arrangement and the geometry spaces left free between equipment panels and radiators.
  • the device uses an extended cavity heat pipe, here called flat enclosure, disposed under the electronic equipment, for the heat exchange function.
  • the device comprises a capillary connection between the at least one tube and the flat enclosure to ensure the continuity of fluid circulation by capillarity between its hot end and its cold end.
  • the invention thus reduces the mass of the heat collection and transport system compared to a conventional heat pipe system. It also has the advantage of enabling better thermal coupling between equipment panels and radiators.
  • a secondary problem that is solved by the invention is to be more efficient for non-planar dissipative wall equipment.
  • the heat transport zone comprises an area of increased deformability in at least one predetermined direction.
  • deformable zone is meant a zone of low rigidity under the environmental conditions in which the device is supposed to operate. In this way, it is possible to accommodate deformations occurring between the supports of the ends of the device without practically exerting efforts on these supports.
  • this deformability of the transport zone makes it possible to accommodate the deformations, for example thermal, without risking breaking the control device. thermal shearing.
  • the tube comprises several bends arranged in different planes.
  • the device then comprises two substantially flat flat enclosures located in different planes, connected by a tube having two torsion zones, said torsion zones being disposed in at least two different planes, said planes being respectively the planes in which are arranged the flat speakers
  • the rigidity of the tube is significantly reduced in two planes, allowing accommodation of a small displacement or angular deformation occurring between these two planes.
  • the flat enclosure has a shape comprising at least two substantially flat areas extending in two distinct planes and connected by an edge.
  • the thickness of the flat enclosure prefferably be substantially equal to the diameter of the tube.
  • part of the outer surface of the flat enclosure has a locally cylindrical shape.
  • the flat enclosure and at least one tube are made of the same material, for example invar.
  • the invention also relates to an application of a device, as described, to the cooling of an electronic equipment carrying panel, characterized in that at least a first flat enclosure of said device is attached to at least one thermally skin conductor of the wall, and the heat collected by said at least a first flat enclosure is evacuated, by at least one transport tube, to at least a second flat enclosure disposed in thermal contact with a heat sink, such as a radiator.
  • the invention aims in another aspect an instrument or a satellite having a heat transfer device as described.
  • FIGS. 1 a and 1 b (already cited): views in longitudinal and transverse section of a heat pipe according to the prior art
  • FIG. 2 a schematic perspective view of a heat transfer device according to one embodiment of the invention
  • FIGS. 3a to 3f detailed views of the device of FIG. 2,
  • FIGS. 5a to 5c views of an alternative heat transfer device, adapted to the case of dissipative equipment of substantially cylindrical shape
  • FIG. 6 a perspective view of another variant of the device
  • FIG. 7 a view of another variant of the device, in the case of several flat exchange zones
  • FIG. 8 a view of the device of FIG. 7, adapted to the case of two dissipative equipments
  • FIG. 9 a view of another variant of the device, using a transport zone provided locally with a cooling soleplate,
  • FIG. 10 a view of a variant of the device, comprising an exchange zone, and several heat transport zones,
  • Figure 1 1 a perspective view of a variant adapted to the case of equipment arranged on two different planes
  • Figure 12 a view of another variant device, in this case.
  • the invention described here finds its place in the context of an on-board thermal control system aboard a vehicle placed in weightlessness, here a satellite.
  • This thermal control system is designed and sized according to the equipment onboard the satellite. Its geometry therefore depends on the geometry of the onboard equipment, and their arrangement within said satellite.
  • the heat transfer device consists of a thermal chamber containing a two-phase fluid, this chamber having an internal cavity where the fluid can flow freely in the vapor state. and a capillary structure adapted to retain the fluid in the liquid state.
  • the device comprises at least one flat enclosure 1 containing a fluid in the two-phase state and forming a heat exchange zone with a heat source or with a heat sink.
  • An enclosure is considered to be flat, of which in each point one of the dimensions is substantially smaller than the other two dimensions, for example ten times smaller.
  • the enclosure is rectangular and flat.
  • This flat chamber 1 has a capillary structure on all or part of its inner surface at the place where the heat exchange takes place with the heat source or the heat sink.
  • this capillary structure has a wetted surface extended in at least two directions and capable of exchanging a dense heat flow.
  • flat enclosure containing an internal capillary structure facing the heat exchange zone.
  • a flat shape of the flat enclosure 1 is adapted to be in contact with the flat surface of a device or a radiative panel.
  • the surface of the flat enclosure 1 is, in this example, from a few tens to a few hundred square centimeters of surface, for a thickness of a few tenths of a millimeter to a few millimeters.
  • the advantage provided by this type of flat enclosure 1 is to be able to have a very wide heat exchange surface with a heat source or a heat sink.
  • Several heat sources or heat sinks can advantageously be mounted in thermal contact with the surface of the enclosure.
  • the device comprises secondly at least one element of substantially tubular shape, called tube 2, more specifically called “transport tube", its length being significantly larger than the largest dimension of its section.
  • the tube 2 is secured to the flat chamber 1 at a connection point 3.
  • the tube 2 according to the invention has a capillary structure on its inner wall, such as that of a tubular heat pipe as described above. high and considered known in itself.
  • the function of such a tube is essentially to transport as efficiently as possible the heat collected by the flat enclosure 1.
  • tube or "transport tube” will be referred to as such a heat transport tube having a structure internal capillary, this capillary structure for combining the transport of the two-phase fluid both in the form of vapor and in the form of liquid in both directions.
  • the typical length of such a tube 2 can be from a few tens of centimeters to a few meters, and its diameter from one to a few centimeters.
  • Each transport tube 2 has a significantly smaller section (from 1, 5 to several tens of times less) than the largest section of the flat enclosure (the sections being considered in section along the same plane).
  • the section of the transport tubes 2 is optimized to transport the heat flux exchanged at the level of the flat enclosure 1.
  • FIGS. 3a to 3f Top and sectional views of this device (see FIGS. 3a to 3f) illustrate the arrangement of the various parts of the enclosure 1 and the tube 2.
  • the vapor duct 6 of the tube 2 and the steam duct 5a, 5b, 5c of the flat enclosure 1 communicate with each other, so that there is continuity of flow by inertia of the fluid in vapor form in both directions between the flat chamber 1 and the tube 2 at their point of connection 3. It is not necessary to have a perfect continuity of the geometry of the steam ducts at the level of link point 3, but it must at least be ensured that there is no significant loss of load at this level.
  • the device is such that there is continuity of capillarity between the capillary structure 7 of the tube 2 and the capillary structure 8 of the flat enclosure 1 at the connection point 3.
  • This capillary continuity must allow the liquid of flow by capillarity in both directions between the flat chamber 1 and the tube 2.
  • a capillary zone is a geometrically small area where the surface tension effects are predominant over the effects of gravity or inertia.
  • a basic zone of capillarity consists for example of a pore within a porous material, or of a groove in the mass of an inner wall of a tube.
  • any discontinuity between the capillary structure of the flat enclosure 1 and that of the tube 2 must not exceed in size the typical dimension of a capillary elementary area, such as a pore and / or a groove, of said capillary structures.
  • connection nodes thus enables the fluid in the liquid phase to flow by capillarity, in an area where the surface tension effects are predominant over gravity or inertia effects.
  • the capillary structure 7 of the tubes 2 consists of grooves (FIG. 3d) and the capillary structure 8 of the flat enclosure 1 consists of a porous structure or a porous material (Figure 3c), which has a high permeability.
  • the pore diameter of the porous structure or of the porous material is then chosen such that it is not greater than twice the opening of the grooves of the capillary structure of the tube 2, in order to facilitate the flow of the liquid by capillarity in both directions. This value may change depending on the wettability characteristics of the fluid in the case where different materials are used.
  • the capillary structure of the tube 2 in the case of a tube 2 whose capillary structure consists of a porous structure or of a porous material, it is advantageous for this capillary structure of the tube 2 to be arranged in capillary continuity with the capillary structure.
  • the flat enclosure 1 also consisting of a porous structure or a porous material, which has a high permeability with a pore diameter that is not greater than the pore diameter of the porous structure or the porous material of the heat pipes. This value can also change depending on the wettability characteristics of the fluid on the different materials used.
  • the two-phase capillary exchanger 1 and the transport heat pipe 2 are made in invar, instead of aluminum as used in the prior art.
  • Invar provides the device with greater dimensional stability than aluminum which is advantageous in some applications.
  • the device which has just been described is able to efficiently collect a dense heat flux emitted by a heat source, and to transport it efficiently towards a remote dissipation zone.
  • the flat enclosure 1 sees its shape adapted to a non-planar contact surface or in several planes with dissipative equipment.
  • the wet surface of the flat enclosure 1 matches the shape of the heat source or heat sink with which it is in contact. If this source or well has a parallelepipedal shape (such as electronic equipment in the case of a heat source), the flat enclosure 1 may have a flat surface conforming to the footprint of the equipment when it is attached to its body. installation plan.
  • the flat enclosure 1 corresponding to a flat enclosure 1 in contact with several planes of the equipment, the flat enclosure 1 consists of two parts 1 1, 12 planes and perpendicular (see Figure 4) connected so that it there is continuity of their steam ducts and their capillary structures.
  • the connection between the two parts 1 1, 12 of the planar chamber and the tube 2 takes place at the intersection angle of the two parts 1 1, 12 with continuity of the steam ducts and capillary structures as previously described.
  • the tube 2 is shown, which necessarily extends in a complete thermal control system to another heat exchanger to which it is connected.
  • the heat source has a substantially cylindrical shape, such as an electric motor for example
  • the flat enclosure 1 has a locally toric shape surrounding said source ( Figures 5a to 5c).
  • This diversity of form of flat speakers 1 can be advantageously manufactured thanks to rapid manufacturing means, in particular based on powders, for example by additive fusion (three-dimensional direct printing).
  • the transport tube 2 may be a "standard” heat pipe tube welded to the part thus manufactured. It can also be manufactured at the same time as the flat speaker thanks to the rapid manufacturing means.
  • the filling of the device is done according to the state of the art of heat pipe using for example a filling tube (sometimes called "queusot") which can be connected to either a flat speaker or a transport tube, the device .
  • the transport tube 2 of the device can be optimized for carrying out the heat transport function and only this. Such heat pipes are made cheaply.
  • a flat heat exchange chamber 1 may be connected to a plurality of transport tubes 2, 2 ', 2 "(two tubes as in FIGS. 7, 8, 11, 12, three tubes as shown in FIG. in Figures 6 and 10) connected thereto according to the embodiment previously described.
  • the device comprises a plurality of flat enclosures 1, 1 'connected to one another by at least one transport tube 2, the shape of each flat enclosure 1 possibly being adapted to the heat source or to the well. of heat with which she is in contact.
  • each flat chamber 1 of the device is in contact with either a heat source 3 or a heat sink 4 ( Figure 8).
  • the transport tube 2 connecting the flat speakers 1 to each other is sized to allow efficient heat transport from the heat source 3 to the well In the case where the tube 2 does not itself participate in the heat exchange, it is advantageously dimensioned only for this heat transport function.
  • Figures 7 and 8 have a thermal control system consisting of two flat speakers 1, 1 'connected to a tube 2 according to the embodiment described above.
  • the assembly consisting of two enclosures and the tube forms a sealed cavity in which circulates a two-phase fluid for simultaneously performing heat exchange and efficient heat transport.
  • the collection and evacuation of heat can be carried out with the means of the state of the art, for example by means of a sole 13 placed around the transport tube 2 so this soleplate is in thermal contact with a heat source or a heat sink ( Figure 9).
  • the tube 2 serves both as a transport tube and as a heat exchanger, which can be advantageous when the heat source (or heat sink) in contact with the sole of the tube 2 is of large size.
  • FIGS. 11 and 12 illustrate other embodiments of the device, in which the transport tube 2 is curved and connects two heat exchange zones (here two flat speakers 1, 1 ') whose surfaces are located in different planes .
  • the transport tube 2 has several elbows 14, 15 situated in different planes, which gives it a significantly increased deformability in at least one direction, in a predetermined zone, making it possible to accommodate small displacement or angular deformation between the support planes the two-phase capillary exchangers 1, 1 '.
  • An advantageous application of the device as described relates to the cooling of a panel carrying electronic equipment.
  • at least one flat enclosure 1 is fixed on at least one thermally conductive skin of the panel, and preferably between two thermally conductive skins of said panel, and the heat collected by the flat enclosure 1 is discharged to at least a heat sink, such as a radiator, by a transport tube 2.
  • a second flat chamber 1 'connected to the transport tube 2 according to the invention ensures an effective return of heat to the space.
  • a first need is the transport of energy from a point a to a point b inside the satellite. It is understood that this requirement conditions the energy transport capacity required for the heat pipe.
  • a second need is the spreading or the distribution of heat on a surface acting as a radiator. This requirement conditions the minimum distance between two heat pipes on the radiator surface.
  • a third need is the exchange of heat.
  • the heat pipe is typically installed directly under equipment to ensure a good heat exchange with it.
  • the problem is then to ensure the best possible thermal coupling between the heat pipe and the equipment to which it is attached.
  • This thermal coupling is itself a function of the wet surface of the heat pipe (surface of the heat pipe in contact with the liquid).
  • the device of the invention best meets these different needs through the capillary connection of wet surfaces of pregnant shapes adapted to both heat exchange and heat transport.
  • the device according to the invention offers heat exchange and heat transport solutions at lower cost maximizing the efficiency of heat exchange regardless of the external shape of the source or heat sink, while minimizing the risk of heat transfer. mass and congestion of the transport solution as well as the cost and complexity of the heat exchange and transport system as a whole.
  • heat pipe in English, to distinguish from “loop heat pipe”, which designates a fluid loop, with completely different behavior
  • a tubular heat pipe is conventionally composed of a closed tube in which the liquid and gaseous phases of the same fluid coexist kept under pressure. The heat pipe makes it possible to store the heat by evaporation and to restore it by condensation of the fluid.
  • Heat pipe in English
  • loop heat pipe in English
  • a "loop heat pipe” is in the form of a closed-loop circuit in which the fluid circulates in one direction, whereas a heat pipe is not configured in a closed loop. . Indeed, inside its cavity, the liquid and vapor phases coexist and flow in different directions between the two ends of said cavity.
  • liquid and gaseous phases are separated by at least one porous wall.
  • this prior art WO 2012/049752 of the field of fluid loops does not describe a "capillary" structure, according to the meaning generally known to those skilled in the art.
  • the device of this prior document comprises a first pipe 150 carrying only liquid without capillary effect, and a second pipe 155 carrying only a vapor phase.
  • a document US 2006/0283577 also mentions a fluid loop ("A loop-type heat exchanger device (10) is disclosed, which includes and evaporator (20), to condense (40), to vapor conduit (30). and a liquid leads (50) ... ").
  • a loop-type heat exchanger device (10) is disclosed, which includes and evaporator (20), to condense (40), to vapor conduit (30). and a liquid leads (50) ... ").
  • This document does not relate to a device comprising a cavity in which the liquid and vapor phases of the same fluid coexist.
  • FIG. 6 also described in the text in paragraphs [0028] to [0029]
  • the tube 30 is adapted to transport only a vapor phase fluid, not a liquid and a vapor phase.

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Abstract

Le dispositif d'échange et de transfert de chaleur constitué d'une cavité fermée contenant un fluide diphasique, comprend : - au moins une zone d'échange de chaleur comportant une enceinte plate configurée sous la forme d'un volume dont une dimension est nettement plus faible que les deux autres, typiquement au moins dix fois plus faible, ladite enceinte plate possédant une première structure capillaire sur tout ou partie de sa surface interne, permettant au fluide sous sa forme liquide de venir mouiller ladite première structure capillaire, - au moins une zone de transport de chaleur configurée sous la forme d'au moins un tube possédant une seconde structure capillaire sur tout ou partie de sa face interne, - la dite enceinte plate et ledit au moins un tube étant connectés de sorte que la vapeur puisse circuler librement dans l'ensemble de la cavité, et qu'une continuité de capillarité soit assurée entre la première et la seconde structures capillaires de sorte que le liquide puisse mouiller l'intégralité de la structure capillaire ainsi constituée.

Description

DISPOSITIF DE CONTRÔLE THERMIQUE
La présente invention relève du domaine des dispositifs de contrôle thermique.
Elle concerne plus particulièrement un dispositif de contrôle thermique utilisant une enceinte thermique diphasique (caloduc).
Préambule et art antérieur
On entend par contrôle thermique le maintien d'un équipement donné à une température comprise dans une plage prédéterminée. La chaleur produite par une ou plusieurs sources de chaleur doit être collectée et transportée vers des zones où elle peut s'évacuer dans des puits de chaleur (radiateurs).
Une telle exigence est notamment critique pour des équipements électroniques embarqués sur satellite. En effet, lesdits équipements sont fortement dissipatifs et doivent être maintenus dans une plage de température donnée malgré des variations importantes de l'environnement thermique du satellite et une impossibilité d'évacuer la chaleur par convection naturelle ou forcée.
A titre d'exemple, au sein d'un satellite coexistent des parois radiatives dites panneaux radiateurs, ou radiateurs, qui dissipent la chaleur par rayonnement vers l'espace froid, et des parois portant les équipements électroniques dissipatifs, dites panneaux porte équipements. La chaleur dissipée par les équipements est collectée au niveau des panneaux porte équipements et doit être évacuée vers les panneaux radiateurs.
On comprend que le couplage thermique entre panneaux porte équipement et panneaux radiateurs est critique pour assurer la bonne évacuation de la chaleur dissipée par les équipements électroniques. Ce couplage thermique est par ailleurs complexe à réaliser du fait de la place restreinte disponible au sein du satellite, liée à l'encombrement des équipements et à leur géométrie. Par ailleurs, le système de contrôle thermique doit répondre à des besoins contradictoires, car il doit à la fois assurer une collecte efficace de la chaleur produite par les équipements dissipatifs, et permettre un transport thermique efficace sur une distance éventuellement assez grande entre les panneaux porte équipements et les panneaux radiateurs.
On utilise classiquement des caloducs pour assurer la fonction de transport thermique.
On rappelle qu'un caloduc utilise le changement de phase d'un fluide pour assurer la collecte de la chaleur à un endroit chaud, et son transfert sous forme de vapeur vers un endroit froid. Un caloduc tubulaire est classiquement composé d'un tube fermé dans laquelle cohabitent les phases liquides et gazeuses d'un même fluide maintenu sous pression. Le caloduc permet de stocker la chaleur par évaporation et de la restituer par condensation du fluide.
Une première partie du caloduc, dite zone chaude (évaporateur), est, à cette fin, disposée à proximité d'une source de chaleur, comme par exemple un élément dissipatif d'énergie thermique. A cet endroit, le liquide contenu dans le caloduc se vaporise en absorbant de la chaleur. La vapeur ainsi créée se propage à l'intérieur du caloduc jusqu'à une autre partie du caloduc, dite zone froide (condenseur), disposée au voisinage d'un puits de chaleur. Le gaz se condense alors en restituant la chaleur précédemment absorbée. La nécessaire circulation du liquide entre la zone froide et la zone chaude se fait couramment par capillarité, celle-ci étant facilitée par utilisation de rainures, de treillis, d'artères ou de mousse métallique disposées sur la surface interne du tube du caloduc.
Une source de chaleur est ici typiquement un équipement ou un panneau porte équipement. Un puits à chaleur typique est un panneau radiateur.
Un caloduc peut être en contact thermique avec plusieurs sources de chaleur et plusieurs puits de chaleur.
Le conduit d'un caloduc tubulaire (voir figures 1 a et 1 b) est un tube cylindrique dont la paroi interne est rainurée, par exemple par extrusion, créant ainsi la structure capillaire par où transite le liquide. Une semelle, accolée au tube du caloduc sur une partie de sa longueur, favorise le contact thermique entre le caloduc tubulaire et les sources de chaleur et/ou les puits de chaleur, grâce à une interface de montage plane. La longueur typique d'un caloduc tubulaire embarqué sur satellite pour le refroidissement de panneaux est de un mètre à quelques mètres et son diamètre de un à quelques centimètres. Dans le cas d'application considéré ici, la chaleur produite par les équipements montés sur un panneau du satellite doit être transportée vers un autre panneau du satellite, ou à un autre endroit du même panneau (on peut aussi avoir un caloduc qui étale sur le radiateur la chaleur en faisant en même temps interface avec un ou plusieurs équipements dissipatifs), là où elle sera dissipée.
C'est le cas par exemple lorsque le panneau porte-équipements est au soleil (il rayonne moins donc évacue moins bien la chaleur) et qu'un autre panneau est à l'ombre (cas favorable pour rayonner la chaleur). Dans ce cas, on peut prolonger les caloducs tubulaires de sorte qu'ils transportent la chaleur d'un panneau à l'autre (ils sont courbés à l'intersection). La chaleur est évacuée efficacement lorsqu'au moins l'un des deux panneaux est à l'ombre (ou à faible incidence solaire).
Dans le cas du contrôle thermique de panneaux porte-équipements à bord de satellites, la collecte de la chaleur au niveau d'un équipement se fait par échange thermique entre un certain nombre de caloducs tubulaires et les équipements.
Dans ce cas, la limitation principale observée est la capacité de collecte de la chaleur par les caloducs pour une densité de flux de chaleur donnée. A profil de caloduc donné, le nombre de caloducs à positionner est dimensionné par la collecte de chaleur et dans ce cas, le réseau de caloducs est surdimensionné pour le transport de chaleur d'un panneau à l'autre et/ou la diffusion de la chaleur sur un panneau, ce qui entraîne un surplus important de masse.
D'autre part, la performance de l'échange thermique au niveau du caloduc est proportionnelle à la surface d'échange interne au caloduc (rainures par exemple) et donc pour minimiser les gradients thermiques il est parfois nécessaire de multiplier le nombre de caloducs. Exposé de l'invention
L'invention vise en premier lieu un dispositif d'échange et de transfert de chaleur constitué d'une cavité fermée contenant un fluide diphasique,_ledit dispositif comprenant : - au moins une zone d'échange de chaleur comportant une enceinte plate configurée sous la forme d'un volume dont une dimension est nettement plus faible que les deux autres, typiquement au moins dix fois plus faible, ladite enceinte plate possédant une première structure capillaire sur tout ou partie de sa surface interne, permettant au fluide sous sa forme liquide de venir mouiller ladite première structure capillaire,
- au moins une zone de transport de chaleur configurée sous la forme d'au moins un tube (et plus généralement de plusieurs tubes) possédant une seconde structure capillaire sur tout ou partie de sa face interne, et
- la dite enceinte plate et ledit au moins un tube étant connectés de sorte que la vapeur puisse circuler librement dans l'ensemble de la cavité, et qu'une continuité de capillarité soit assurée entre la première et la seconde structures capillaires de sorte que le liquide puisse mouiller l'intégralité de la structure capillaire ainsi constituée.
En d'autres termes, il s'agit d'un dispositif de régulation thermique mettant en œuvre une enceinte thermique contenant un fluide diphasique, ledit dispositif comprenant :
- au moins une zone d'échange de chaleur comportant un caloduc configuré sous la forme d'une enveloppe mince (c'est à dire une surface d'échange importante avec une épaisseur très faible, typiquement au moins dix fois plus faible, que les autres dimensions), ladite zone d'échange étant dite "enceinte plate" (qui peut se présenter sous forme de plaque en une, deux ou trois dimensions),
- au moins une zone de transport de chaleur configurée sous la forme d'au moins un caloduc tubulaire, ledit caloduc tubulaire étant dit "tube", et
- au moins un nœud de connexion entre l'enceinte plate et le tube, ledit nœud de connexion présentant une continuité de capillarité entre l'enceinte plate et le tube.
La dimension capillaire des rainures, pores, cellules, treillis,... qui assurent l'écoulement du fluide sous forme liquide au travers du nœud est sensiblement de même dimension (dans un rapport 0.5 à 2) que la dimension capillaire du caloduc tubulaire. Avantageusement, dans le cas de plusieurs tubes reliés à une même enceinte plate, lesdits tubes présentent des conduits de vapeur dont la somme des sections de passage est sensiblement égale à la section de passage de vapeur de ladite enceinte plate, dans le but de faciliter l'écoulement de la vapeur entre l'enceinte plate et les tubes.
On comprend que le dispositif de l'invention permet de résoudre indépendamment le dimensionnement adapté au transport de chaleur, et le dimensionnement adapté à l'échange thermique, avec un seul système. Le dispositif utilise d'une part un caloduc tubulaire (tube) sans fonction d'échange thermique pour la fonction de transport de chaleur, ce caloduc tubulaire étant d'encombrement réduit, et capable d'accepter une géométrie dictée par la disposition et la géométrie des espaces laissés libres entre les panneaux porte équipements et les radiateurs.
D'autre part, le dispositif utilise un caloduc à cavité étendue, ici nommé enceinte plate, disposé sous les équipements électroniques, pour la fonction d'échange thermique.
Le dispositif comprend une connexion capillaire entre le au moins un tube et T'enceinte plate pour assurer la continuité de circulation de fluide par capillarité entre son extrémité chaude et son extrémité froide.
L'invention permet ainsi de réduire la masse du système de collecte et de transport de chaleur par rapport à un système classique à caloduc. Elle a également pour avantage de permettre de mieux réaliser le couplage thermique entre les panneaux porte équipements et les radiateurs.
Un problème secondaire qui est résolu par l'invention est d'être plus efficace pour les équipements à paroi dissipative non plane.
Selon un mode de réalisation particulier, la zone de transport de chaleur comporte une zone de déformabilité accrue selon au moins une direction prédéterminée. On entend par zone déformable une zone de rigidité faible dans les conditions environnementales dans lesquelles est supposé opérer le dispositif. De cette manière, il est possible d'accommoder des déformations survenant entre les supports des extrémités du dispositif sans pratiquement exercer d'efforts sur ces supports. Dans le cas particulier d'extrémités disposées l'une sur un panneau porte équipements et l'autre sur un radiateur, cette déformabilité de la zone de transport permet d'accommoder les déformations, par exemple thermiques, sans risquer de rupture du dispositif de contrôle thermique par cisaillement.
Dans un mode de réalisation particulier adapté au cas de deux supports des extrémités du dispositif disposés dans des plans différents, le tube comporte plusieurs coudes disposés dans des plans différents.
Le dispositif comporte alors deux enceintes plates sensiblement planes situées dans des plans différents, reliés par un tube possédant deux zones de torsion, les dites zones de torsion étant disposées dans au moins deux plans différents, les dits plans étant respectivement les plans selon lesquels sont disposées les enceintes plates
De cette manière, la rigidité du tube se trouve nettement réduite dans deux plans, permettant une accommodation d'un petit déplacement ou d'une déformation angulaire survenant entre ces deux plans.
Dans un cas particulier de mise en œuvre, correspondant au cas d'une source ou puits de chaleur de forme comportant plusieurs plans, par exemple au moins deux parois planes d'un équipement dissipatif, l'enceinte plate présente une forme comportant au moins deux zones sensiblement planes s'étendant dans deux plans distincts et reliées par une arête.
Indépendamment de ces modes particuliers de réalisation, il est avantageux que l'épaisseur de l'enceinte plate soit sensiblement égale au diamètre du tube.
Dans un autre cas de mise en œuvre, correspondant au cas d'une source de forme cylindrique, une partie de la surface externe de l'enceinte plate présente une forme localement cylindrique. Dans un mode de réalisation particulier, l'enceinte plate et au moins un tube sont réalisés dans le même matériau, par exemple de l'invar. L'invention vise également une application d'un dispositif, tel qu'exposé, au refroidissement d'un panneau porteur d'équipements électroniques, caractérisée en ce qu'au moins une première enceinte plate dudit dispositif est fixée sur au moins une peau thermiquement conductrice du mur, et la chaleur collectée par ladite au moins une première enceinte plate est évacuée, par au moins un tube de transport, vers au moins une seconde enceinte plate disposé en contact thermique avec un puits de chaleur, tel qu'un radiateur.
L'invention vise sous un autre aspect un instrument ou un satellite comportant un dispositif de transfert de chaleur tel qu'exposé.
Présentation des figures
Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui expose les caractéristiques de l'invention au travers d'un exemple non limitatif d'application.
La description s'appuie sur les figures annexées qui représentent :
Figures 1 a et 1 b (déjà citées) : des vues en coupe longitudinale et transversale d'un caloduc selon l'art antérieur,
Figure 2 : une vue schématique en perspective d'un dispositif de transfert de chaleur selon un mode de réalisation de l'invention,
Figures 3a à 3f : des vues de détail du dispositif de la figure 2,
Figure 4: une vue d'une variante dispositif de transfert de chaleur, adapté au cas d'équipements dissipatifs disposé sur deux plan perpendiculaires,
Figures 5a à 5c : des vues d'une variante de dispositif de transfert de chaleur, adapté au cas d'un équipement dissipatif de forme sensiblement cylindrique,
Figure 6 : une vue en perspective d'une autre variante du dispositif,
Figure 7 : une vue d'une autre variante du dispositif, dans le cas de plusieurs zones d'échange planes, Figure 8 : une vue du dispositif de la figure 7, adapté au cas de deux équipements dissipatifs,
Figure 9 : une vue d'une autre variante du dispositif, utilisant une zone de transport dotée localement d'une semelle de refroidissement,
Figure 10 : une vue d'une variante du dispositif, comportant une zone d'échange, et plusieurs zones de transport de chaleur,
Figure 1 1 : une vue en perspective d'une variante adaptée au cas d'équipements disposés sur deux plans différents,
Figure 12 : une vue d'une autre variante de dispositif, dans ce même cas.
Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention
On note tout d'abord que les figures ne sont pas à l'échelle.
L'invention décrite ici, dans un exemple de mise en œuvre nullement limitatif, trouve sa place dans le cadre d'un système de contrôle thermique embarqué à bord d'un véhicule placé en état d'apesanteur, ici un satellite. Ce système de contrôle thermique est conçu et dimensionné selon les équipements embarqués à bord du satellite. Sa géométrie dépend donc de la géométrie des équipements embarqués, et de leur disposition au sein dudit satellite.
Dans un mode de réalisation donné ici à titre illustratif et nullement limitatif, le dispositif de transfert de chaleur est constitué d'une enceinte thermique contenant un fluide diphasique, cette enceinte présentant une cavité interne où peut circuler librement le fluide à l'état de vapeur et une structure capillaire apte à retenir le fluide à l'état liquide.
Plus précisément (voir figure 2), le dispositif comporte en premier lieu au moins une enceinte plate 1 contenant un fluide à l'état diphasique et formant une zone d'échange thermique avec une source de chaleur ou avec un puits de chaleur. On considère comme plate une enceinte dont en chaque point une des dimensions est sensiblement inférieure aux deux autres dimensions, par exemple dix fois plus faible. Dans le présent exemple de réalisation, l'enceinte est rectangulaire et plane. Cette enceinte plate 1 présente une structure capillaire sur tout ou partie de sa surface interne à l'endroit où s'effectue l'échange thermique avec la source de chaleur ou le puits de chaleur. Dans l'exemple suivant l'invention, cette structure capillaire possède une surface mouillée étendue dans au moins deux directions et apte à échanger un flux thermique dense.
Dans toute la suite de la description, on appellera « enceinte plate » une telle enceinte d'échange thermique diphasique contenant une structure capillaire interne en regard de la zone d'échange thermique.
Dans un exemple nullement limitatif illustré sur la figure 2, une forme plane de l'enceinte plate 1 est adaptée pour être en contact avec la surface plane d'un équipement ou d'un panneau radiatif. La surface de l'enceinte plate 1 est, dans cet exemple, de quelques dizaines à quelques centaines de centimètres carrés de surface, pour une épaisseur de quelques dixièmes de millimètres à quelques millimètres.
L'avantage procuré par ce type d'enceinte plate 1 est de pouvoir présenter une surface d'échange thermique très étendue avec une source de chaleur ou un puits de chaleur. Plusieurs sources de chaleur ou puits de chaleur peuvent avantageusement être montées en contact thermique avec la surface de l'enceinte.
Le dispositif comporte en second lieu au moins un élément de forme sensiblement tubulaire, dit tube 2, appelé plus précisément « tube de transport », sa longueur étant nettement plus importante que la plus grande dimension de sa section.
Le tube 2 est solidarisé à l'enceinte plate 1 au niveau d'un point de liaison 3. Le tube 2 présente selon l'invention une structure capillaire sur sa paroi interne, comme par exemple celle d'un caloduc tubulaire tel que décrit plus haut et considéré connu en soi. Dans le dispositif suivant l'invention, la fonction d'un tel tube est essentiellement de transporter le plus efficacement possible la chaleur collectée par l'enceinte plate 1 .
Dans toute la suite de la description, on appellera « tube », ou « tube de transport » un tel tube de transport de chaleur possédant une structure capillaire interne, cette structure capillaire permettant de combiner le transport du fluide diphasique à la fois sous forme de vapeur et sous forme de liquide dans les deux directions.
Dans le cas d'une application au refroidissement d'équipements dissipatifs à bord d'un satellite, la longueur typique d'un tel tube 2 peut être de quelques dizaines de centimètres à quelques mètres, et son diamètre de un à quelques centimètres.
Chaque tube de transport 2 présente une section significativement moins importante (de 1 ,5 à plusieurs dizaines de fois moins importante) que la plus grande section de l'enceinte plate (les sections étant considérées en coupe suivant le même plan).
La section des tubes de transport 2 est optimisée pour transporter le flux thermique échangé au niveau de l'enceinte plate 1 .
Il est important de noter que sur la figure 2, seulement une partie du tube est visible car il est présenté en coupe à une extrémité. Le tube 2 se prolonge nécessairement vers au moins une autre zone d'échange thermique à laquelle il est connecté, cette autre zone étant reliée soit à un puits de chaleur si l'enceinte 1 est en échange thermique avec une source de chaleur, soit à une source de chaleur si l'enceinte 1 est en échange thermique avec un puits de chaleur. D'autres figures montreront un système complet utilisant le dispositif.
Des vues de dessus et en coupes de ce dispositif (voir figures 3a à 3f) illustrent la disposition des différentes parties de l'enceinte 1 et du tube 2.
Tel qu'illustré par la figure 3c, le conduit de vapeur 6 du tube 2 et le conduit de vapeur 5a, 5b, 5c de l'enceinte plate 1 communiquent entre eux, de sorte qu'il y a continuité de l'écoulement par inertie du fluide sous forme vapeur dans les deux sens entre l'enceinte plate 1 et le tube 2 au niveau de leur point de liaison 3. Il n'est pas nécessaire d'avoir une continuité parfaite de la géométrie des conduits de vapeur au niveau du point de liaison 3, mais il faut au moins assurer qu'il n'y a pas de perte de charge significative à ce niveau.
D'autre part, le dispositif est tel qu'il y a une continuité de capillarité entre la structure capillaire 7 du tube 2 et la structure capillaire 8 de l'enceinte plate 1 au point de liaison 3. Cette continuité capillaire doit permettre au liquide de s'écouler par capillarité dans les deux directions entre l'enceinte plate 1 et le tube 2.
On rappelle qu'une zone de capillarité est une zone à faible dimension géométrique où les effets de tension de surface sont prédominants sur les effets de gravité ou d'inertie. Une zone élémentaire de capillarité est constituée par exemple d'un pore au sein d'un matériau poreux, ou bien d'une rainure dans la masse d'une paroi interne d'un tube.
Il n'est pas nécessaire d'avoir une continuité capillaire parfaite entre les structures capillaires de l'enceinte plate 1 et du tube 2, mais au moins faut-il assurer qu'il n'y ait pas une discontinuité de l'effet de capillarité à ce niveau. Typiquement, une discontinuité éventuelle entre la structure capillaire de l'enceinte plate 1 et celle du tube 2 ne doit pas dépasser en dimension la dimension typique d'une zone élémentaire de capillarité, tel un pore et/ou une rainure, desdites structures capillaires.
La continuité capillaire assurée aux nœuds de liaison permet ainsi au fluide en phase liquide de s'écouler par capillarité, dans une zone où les effets de tension de surface sont prédominants sur les effets de gravité ou d'inertie.
Dans un cas particulier de mise en œuvre, donné ici à titre d'exemple non limitatif, la structure capillaire 7 des tubes 2 est constituée de rainures (figure 3d) et la structure capillaire 8 de l'enceinte plate 1 est constituée d'une structure poreuse ou d'un matériau poreux (figure 3c), qui présente une perméabilité élevée. Dans le cas où l'enceinte plate 1 et le tube 2 sont constitués d'un même matériau (de l'aluminium dans le cas le plus courant), le diamètre de pore de la structure poreuse ou du matériau poreux est alors choisi tel qu'il ne soit pas supérieur à deux fois l'ouverture des rainures de la structure capillaire du tube 2, afin de faciliter l'écoulement du liquide par capillarité dans les deux sens. Cette valeur peut évoluer en fonction des caractéristiques de mouillabilité du fluide dans le cas où des matériaux différents sont utilisés.
De la même façon, dans le cas d'un tube 2 dont la structure capillaire est constituée d'une structure poreuse ou d'un matériau poreux, il est avantageux que cette structure capillaire du tube 2 soit disposée en continuité capillaire avec la structure capillaire de l'enceinte plate 1 , également constituée d'une structure poreuse ou d'un matériau poreux, qui présente une perméabilité élevée avec un diamètre de pore qui n'est pas supérieur au diamètre de pore de la structure poreuse ou du matériau poreux des caloducs. Cette valeur peut également évoluer en fonction des caractéristiques de mouillabilité du fluide sur les différents matériaux utilisés.
Dans une variante de réalisation, l'échangeur diphasique capillaire 1 et le caloduc de transport 2 sont réalisés en invar, au lieu d'aluminium tel qu'usuellement utilisé dans l'art antérieur. L'invar procure au dispositif une plus grande stabilité dimensionnelle que l'aluminium ce qui est avantageux dans certaines applications.
Le dispositif qui vient d'être décrit est apte à collecter efficacement un flux de chaleur dense émis par une source de chaleur, et à le transporter efficacement vers une zone de dissipation déportée.
Dans des variantes de réalisation, l'enceinte plate 1 voit sa forme adaptée à une surface de contact non plane ou en plusieurs plans avec les équipements dissipatifs.
Dans ce cas, la surface mouillée de l'enceinte plate 1 épouse la forme de la source de chaleur ou du puits de chaleur avec laquelle elle est en contact. Si cette source ou ce puits a une forme parallélépipédique (comme un équipement électronique dans le cas d'une source de chaleur), l'enceinte plate 1 peut avoir une surface plane épousant l'empreinte de l'équipement quand il est fixé sur son plan de pose.
Dans un autre cas, correspondant à une enceinte plate 1 en contact avec plusieurs plans de l'équipement, l'enceinte plate 1 est constituée de deux parties 1 1 , 12 planes et perpendiculaires (voir figure 4) connectées de telle sorte qu'il y ait continuité de leurs conduits de vapeur et de leurs structures capillaires. La connexion entre les deux parties 1 1 , 12 de l'enceinte plane et le tube 2 s'effectue à l'angle d'intersection des deux parties 1 1 , 12 avec continuité des conduits de vapeur et des structures capillaires comme précédemment décrit. Là encore, seulement une partie du tube 2 est représentée, celui-ci se prolongeant nécessairement, dans un système complet de contrôle thermique, jusqu'à un autre échangeur thermique auquel il est relié. Si la source de chaleur a une forme sensiblement cylindrique, comme un moteur électrique par exemple, l'enceinte plate 1 présente une forme localement torique entourant ladite source (figures 5a à 5c).
Cette diversité de forme d'enceintes plates 1 (plan, multi-plan, torique, etc.) peut être fabriquée avantageusement grâce à des moyens de fabrication rapide, notamment à base de poudres, par exemple par fusion additive (impression directe tridimensionnelle). On peut alors fabriquer en une seule étape l'ensemble de l'enceinte plate 1 , à savoir les parois de l'enceinte et la structure capillaire. Le tube de transport 2 peut être un tube de caloduc « standard » soudé à la pièce ainsi fabriquée. Il peut être également fabriqué en même temps que l'enceinte plate grâce aux moyens de fabrication rapide. Le remplissage du dispositif se fait suivant l'état de l'art des caloducs en utilisant par exemple un tube de remplissage (appelé parfois « queusot ») qui peut être connecté soit à une enceinte plate, soit à un tube de transport, du dispositif.
Le tube de transport 2 du dispositif peut être optimisé pour réaliser la fonction de transport de chaleur et seulement celle-ci. De tels caloducs sont réalisés à moindre coût.
Dans une variante de réalisation du dispositif, une enceinte plate 1 d'échange thermique peut être reliée à plusieurs tubes de transport 2, 2', 2" (deux tubes comme sur les figures 7, 8, 1 1 , 12, trois tubes comme sur les figures 6 et 10) connectés à elle suivant le mode de réalisation précédemment décrit.
Dans une autre variante (figure 7), le dispositif comporte plusieurs enceintes plates 1 , 1 ' connectées entre elles par au moins un tube de transport 2, la forme de chaque enceinte plate 1 pouvant être adaptée chacune à la source de chaleur ou au puits de chaleur avec laquelle elle est en contact.
Dans ce même exemple de réalisation, à au moins deux enceintes plates 1 , 1 ', chaque enceinte plate 1 du dispositif est en contact avec soit une source de chaleur 3, soit un puits de chaleur 4 (figure 8). Le tube de transport 2 connectant les enceintes plates 1 entre elles est dimensionné pour permettre un transport efficace de la chaleur depuis la source de chaleur 3 vers le puits de chaleur 4. Dans le cas où le tube 2 ne participe pas lui-même à l'échange thermique, il est avantageusement dimensionné uniquement pour cette fonction de transport de chaleur.
Les figures 7 et 8 présentent ainsi un système de contrôle thermique constitué de deux enceintes plates 1 , 1 ' connectées à un tube 2 suivant le mode de réalisation précédemment décrit. L'ensemble constitué des deux enceintes et du tube forme une cavité étanche dans laquelle circule un fluide diphasique permettant de réaliser simultanément des échanges thermiques et un transport de chaleur efficaces.
Dans certaines parties du dispositif, la collecte et l'évacuation de la chaleur peut être réalisée avec les moyens de l'état de l'art, par exemple par l'intermédiaire d'une semelle 13 placée autour du tube de transport 2 de sorte que cette semelle soit en contact thermique avec une source de chaleur ou un puits de chaleur (figure 9). Dans ce cas, le tube 2 sert à la fois comme tube de transport et comme échangeur thermique, ce qui peut être avantageux quand la source de chaleur (ou le puits de chaleur) en contact avec la semelle du tube 2 est de grande dimension.
Les figures 1 1 et 12 illustrent d'autres réalisations du dispositif, dans laquelle le tube de transport 2 est courbé et connecte deux zones d'échange thermique (ici deux enceintes plates 1 , 1 ') dont les surfaces sont situées dans des plans différents. Dans le cas de la figure 12, le tube de transport 2 présente plusieurs coudes 14, 15, situés dans des plans différents, ce qui lui confère une déformabilité nettement accrue selon au moins une direction, dans une zone prédéterminée, permettant d'accommoder de petits déplacement ou déformations angulaires entre les plans supports les échangeurs diphasiques capillaires 1 , 1 '.
Une application avantageuse du dispositif tel que décrit concerne le refroidissement d'un panneau porteur d'équipements électroniques. Dans cette application, au moins une enceinte plate 1 est fixée sur au moins une peau thermiquement conductrice du panneau, et, de préférence, entre deux peaux thermiquement conductrices dudit panneau, et la chaleur collectée par l'enceinte plate 1 est évacuée vers au moins un puits de chaleur, tel qu'un radiateur, par un tube de transport 2. Au niveau du puits de chaleur, une seconde enceinte plate 1 ' reliée au tube de transport 2 selon l'invention assure une restitution de chaleur efficace vers l'espace. Avantages
Les caloducs répondent à trois types de besoins :
Un premier besoin est le transport d'énergie d'un point a à un point b à l'intérieur du satellite. On comprend que ce besoin conditionne la capacité de transport d'énergie nécessaire pour le caloduc.
Un second besoin est l'étalement ou la répartition de chaleur sur une surface faisant office de radiateur. Ce besoin conditionne la distance minimale entre deux caloducs sur la surface de radiateur.
Un troisième besoin est l'échange de chaleur. Dans ce cas, le caloduc est typiquement installé directement sous un équipement pour assurer un bon échange thermique avec celui-ci. Le problème est alors d'assurer le meilleur couplage thermique possible entre le caloduc et l'équipement auquel il est attaché. Ce couplage thermique est alors lui-même fonction de la surface mouillée du caloduc (surface du caloduc en contact avec le liquide).
Le dispositif de l'invention répond au mieux à ces différents besoins grâce à la connexion capillaire des surfaces mouillées d'enceintes aux formes adaptées à la fois aux échanges thermiques et au transport de chaleur.
Le dispositif suivant l'invention offre des solutions d'échange thermique et de transport de la chaleur à moindre coût maximisant l'efficacité de l'échange thermique quelle que soit la forme externe de la source ou du puits de chaleur, tout en minimisant la masse et l'encombrement de la solution de transport ainsi que le coût et la complexité du système d'échange thermique et de transport dans son ensemble.
On rappelle qu'un caloduc ("heat pipe" en anglais, à distinguer de "loop heat pipe", qui désigne une boucle fluide, au comportement totalement différent) utilise le changement de phase d'un fluide pour assurer la collecte de la chaleur à un endroit chaud, et son transfert sous forme de vapeur vers un endroit froid. Un caloduc tubulaire est classiquement composé d'un tube fermé dans laquelle cohabitent les phases liquides et gazeuses d'un même fluide maintenu sous pression. Le caloduc permet de stocker la chaleur par évaporation et de la restituer par condensation du fluide.
A titre de clarification, il semble nécessaire de distinguer un caloduc
("heat pipe" en anglais) tel qu'utilisé dans le présent dispositif, d'une boucle fluide ("loop heat pipe" en anglais), au comportement totalement différent, telle que citée dans divers documents d'art antérieur.
Une boucle fluide ("loop heat pipe") se présente sous forme d'un circuit en boucle fermée dans lequel le fluide circule dans un seul sens, alors qu'un caloduc ("heat pipe") n'est pas configuré en boucle fermée. En effet, à l'intérieur de sa cavité, les phases liquides et vapeur cohabitent et circulent dans des sens différents entre les deux extrémités de ladite cavité.
Dans un exemple de tel dispositif à boucle fluide, décrit dans le document WO 2012/049752 (Itoh, octobre 2010), les phases liquides et gazeuses sont séparées par au moins une paroi poreuse.
Cette différence est majeure car elle conduit à un comportement totalement diffèrent du système avec une pression de pompage accrue par la paroi poreuse séparative dans le cas des boucles fluides, et des limites de fonctionnement induites par la séparation physique des phases qui n'existent pas dans le système à caloduc du fait de la coexistence des phases liquide et vapeur.
De même, cet art antérieur WO 2012/049752 du domaine des boucles fluides ne décrit pas de structure "capillaire", selon le sens généralement connu de l'homme du métier. Le dispositif de ce document antérieur comporte une première conduite 150 transportant uniquement du liquide sans effet de capillarité, et une seconde conduite 155 transportant uniquement une phase vapeur.
Un document US 2006/0283577 (décembre 2006) cite également une boucle fluide ("A loop-type heat exchanger device (10) is disclosed, which includes and evaporator (20), a condenser (40), a vapor conduit (30) and a liquid conduit (50)..."). Ce document ne concerne pas un dispositif comprenant une cavité dans laquelle cohabitent les phases liquides et vapeur d'un même fluide. Il est au contraire clair à la vue de la figure 6 (également décrite dans le texte dans les paragraphes [0028] à [0029]) que le tube 30 est adapté à transporter uniquement un fluide en phase vapeur, et non un liquide et une phase vapeur.
Un autre document antérieur relatif aux boucles fluides, US 2009/01 14374 (Kyushu University, mai 2009), décrit encore une fois un dispositif dans lequel les phases liquide et vapeur d'un même fluide ne cohabitent nullement au sein d'une même cavité de transport. Ceci ressort notamment de l'abrégé "the liquid state réfrigérant is supplied from the liquid supply use channel 32, ...and the evaporated réfrigérant is discharged from the heat removal use channel 31." Par ailleurs, le dispositif décrit dans ce document n'utilise pas d'effet de capillarité pour le transport de fluide.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif d'échange et de transfert de chaleur constitué d'une cavité fermée contenant un fluide diphasique,
caractérisé en ce que ledit dispositif comprend :
- au moins une zone d'échange de chaleur comportant une enceinte plate (1 ) configurée sous la forme d'un volume dont une dimension est nettement plus faible que les deux autres, typiquement au moins dix fois plus faible, ladite enceinte plate (1 ) possédant une première structure capillaire (8) sur tout ou partie de sa surface interne, permettant au fluide sous sa forme liquide de venir mouiller ladite première structure capillaire (8),
- au moins une zone de transport de chaleur configurée sous la forme d'au moins un tube (2) possédant une seconde structure capillaire (7) sur tout ou partie de sa face interne,
- la dite enceinte plate (1 ) et ledit au moins un tube (2) étant connectés de sorte que la vapeur puisse circuler librement dans l'ensemble de la cavité, et qu'une continuité de capillarité soit assurée entre la première et la seconde structures capillaires (7, 8) de sorte que le liquide puisse mouiller l'intégralité de la structure capillaire ainsi constituée.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, dans le cas de plusieurs tubes (2) reliés à une même enceinte plate (1 ), lesdits tubes (2) présentent des conduits de vapeur dont la somme des sections de passage est sensiblement égale à la section de passage de vapeur de ladite enceinte plate
(1 )- 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la zone de transport de chaleur comporte une zone de déformabilité accrue selon au moins une direction prédéterminée.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte deux enceintes plates (1 , 1 ') sensiblement planes situées dans des plans différents, reliés par un tube (2) possédant deux zones de torsion (14, 15), les dites zones de torsion (14, 15) étant disposées dans au moins deux plans différents.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'enceinte plate (1 ) présente une forme comportant au moins deux zones sensiblement planes (1 1 , 12) s'étendant dans deux plans distincts et reliées par une arête.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'enceinte plate (1 ) est sensiblement égale au diamètre du tube (2)
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une partie de la surface externe de l'enceinte plate (1 ) présente une forme localement cylindrique.
8. Application d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 au refroidissement d'un panneau porteur d'équipements électroniques, caractérisée en ce qu'au moins une première enceinte plate (1 ) dudit dispositif est fixée sur au moins une peau thermiquement conductrice du mur, et la chaleur collectée par ladite au moins une première enceinte plate (1 ) est évacuée, par au moins un tube de transport (2), vers au moins une seconde enceinte plate (1 ') disposé en contact thermique avec un puits de chaleur, tel qu'un radiateur.
9. Instrument, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 7.
10. Satellite, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif selon l'une des revendications 1 à 7.
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