WO2014198930A1 - Structure d'echange thermique, son procede de fabrication, dispositif d'echange thermique comprenant une telle structure et leurs utilisations - Google Patents

Structure d'echange thermique, son procede de fabrication, dispositif d'echange thermique comprenant une telle structure et leurs utilisations Download PDF

Info

Publication number
WO2014198930A1
WO2014198930A1 PCT/EP2014/062436 EP2014062436W WO2014198930A1 WO 2014198930 A1 WO2014198930 A1 WO 2014198930A1 EP 2014062436 W EP2014062436 W EP 2014062436W WO 2014198930 A1 WO2014198930 A1 WO 2014198930A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat exchange
molecular switch
liquid
substrate
functional group
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/062436
Other languages
English (en)
Inventor
Jean-Antoine Gruss
Rémi BERTOSSI
Nadia Caney
Philippe Marty
Olivier Poncelet
Antoine VOIRAND
Original Assignee
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
Universite Joseph Fourier
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives, Universite Joseph Fourier filed Critical Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
Priority to US14/898,082 priority Critical patent/US20160131444A1/en
Priority to EP14731220.1A priority patent/EP3008418A1/fr
Publication of WO2014198930A1 publication Critical patent/WO2014198930A1/fr

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/26—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass heat exchangers or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/182—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing especially adapted for evaporator or condenser surfaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2245/00—Coatings; Surface treatments
    • F28F2245/02—Coatings; Surface treatments hydrophilic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2245/00—Coatings; Surface treatments
    • F28F2245/04—Coatings; Surface treatments hydrophobic

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchange structure, to a heat exchange device, in particular by fluid boiling, including such a structure, for example a boiler, a diphasic thermosiphon or a heat pipe, as well as to uses of this structure and this device.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing such a heat exchange structure.
  • the energy efficiency of heat exchange systems is mainly based on improving the performance of the heat exchange surfaces that compose them.
  • phase distribution in the device can be a source of deterioration of heat transfer, whether these transfers are operated by condensation, evaporation or boiling.
  • Such devices comprise a heat exchange structure which has a heat exchange surface at which the liquid, in contact with said surface, is subjected to a phase change by evaporation. Under the effect of the temperature of this surface, the boiling cycle of the liquid will be established: bubbles form from nucleation sites present on this surface, then grow and finally detach from the exchange surface thermal. It is known that the use of wetting heat exchange surfaces can make it possible to obtain good heat transfer performance. Indeed, because of the low contact angle (typically less than 90 °) between the sphere portion of the bubbles in contact with the wetting surface, there is a good heat transfer from the surface to the bubbles and easy detachment bubbles from this surface thus ensuring a high frequency of bubble emission.
  • the low contact angle typically less than 90 °
  • the wetting heat exchange surfaces do not make it possible to obtain nucleation sites which are sufficiently numerous and active to ensure the formation of bubbles. To remedy this, it becomes necessary to increase the temperature of the heat exchange surface to recreate the conditions necessary for the formation of these bubbles. Such an increase can lead to an overheating of this heat exchange surface and, consequently, to the degradation of the heat exchange coefficient.
  • the formation or nucleation of bubbles is favored by the implementation of a non-wetting thermal exchange surface.
  • the contact angle formed by the sphere portion of these bubbles in contact with this surface is then high, typically greater than or equal to 90 °.
  • the bubbles formed at a non-wetting surface tend to coalesce and, not easily detached from this surface, they have a low emission frequency.
  • the implementation of a non-wetting thermal exchange surface is therefore not favorable in itself to good heat transfer.
  • At least one discrete zone or nucleation site coated with a hydrophobic (non-wetting) polymer.
  • WO 2010/012798 A1 also describes a heat exchange structure having a heterogeneous heat exchange surface.
  • This heterogeneous heat exchange surface comprises, disposed on a substrate, a nanometric structure covering a micrometric structure formed of cavities whose inner surface has non-wetting properties.
  • the inter-cavity zone on the other hand, has wetting properties and the proportion of non-wetting surface with respect to the total surface area is small, advantageously less than about 15%.
  • the inner surface of the cavities is therefore conducive to the formation of bubbles, these cavities being lined with a surface facilitating the detachment of bubbles.
  • the micrometric structure is produced by successive deposits, on the substrate, of a layer sacrificial, a hard mask and a layer of photoresist. Cavities are then practiced in these three layers. Then, after removal of the residual photoresist layer, nanoparticles, in particular metal or metal alloy nanoparticles, are deposited and then a hydrophobic material film is deposited before hydrophilic treatment of the inter-cavity area is carried out. .
  • the sacrificial layer, the hard mask and the film made of a hydrophobic material are produced by plasma enhanced chemical vapor deposition (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition or PECVD) while the nanoparticles are subjected to a chemical vapor deposition using organometallic precursors (in English, Metal Organic Chemical Vapor Deposition or MOCVD).
  • PECVD and MOCVD processes can only be applied to substrates that have an open surface and are limited in size (less than 25x25 cm 2 ).
  • these processes can implement high temperatures (of the order of 300 to 800 ° C.) to which any type of substrate, in particular that of polymer (s), is not resistant.
  • this substrate being able to be indifferently made of metal, of polymer (s) or else of composite or ceramic material,
  • Another object of the invention is to provide a method of manufacturing such a heat exchange structure which is not limited by the material of the invention. substrate of this structure, the shape or size of the latter and which, more generally, is easy to implement.
  • this method does not impose a geometric heterogeneity of said heat exchange surface, in particular by mechanical structuring or by laser etching to form nucleation sites.
  • a heterogeneous heat exchange structure of the aforementioned type that is to say which implements a heat transfer by boiling a liquid and which comprises a substrate and a heat exchange surface intended to be in contact with said liquid.
  • this heat exchange surface comprises at least one molecular switch having a lower critical temperature of solubility TLCST above which it gives the heat exchange surface non-wetting properties vis-à-vis the liquid and below which it imparts fluid wetting properties to the heat exchange surface, this lower TLCST solubility critical temperature of the molecular switch is chosen to be greater than or equal to the temperature. T his t saturation of the liquid.
  • a molecular switch is a compound that reversibly oscillates between two or more states under the effect of a stimulus.
  • this molecular switch has wetting properties vis-à-vis a liquid that vary depending on the temperature. More specifically, this molecular switch has a temperature, called the “critical lower solubility temperature” and denoted “TLCST” in the following description, above which it is characterized by non-wetting properties vis-à-vis of the considered liquid while below this temperature, it is characterized by wetting properties vis-à-vis the same liquid.
  • TLCST critical lower solubility temperature
  • the wetting properties of a liquid on a solid surface are determined by the shape that a drop of this liquid takes on this surface, under the effect of the molecular interactions between the three phases in the presence (solid / liquid / gas of the environment) and, more particularly, by the value of the contact angle ⁇ at the interface between the drop and the solid surface.
  • ⁇ the drop of liquid wets the surface. It is said that the surface has properties "wetting" vis-à-vis this liquid.
  • ⁇ > 90 ° the liquid drop does not wet the surface. The latter then has properties called "non-wetting" vis-à-vis this liquid.
  • thermo-dependent variation of wetting properties conferred by a molecular switch within the meaning of the invention is given in FIG. 1. More precisely, the curve represented in FIG. 1 illustrates the variation of the value of the angle. contact point ⁇ formed by a drop of water on a heat exchange surface comprising a polyethylene glycol (PEG) as a molecular switch, depending on the temperature of this heat exchange surface.
  • PEG polyethylene glycol
  • the value of the contact angle ⁇ is constant and equal to 80 ° for heat exchange surface temperatures of up to 100 ° C.
  • the molecular switch thus confers wetting properties (or hydrophilic since in this case, the liquid is water) to the heat exchange surface.
  • the contact angle ⁇ increases sharply until it reaches a contact angle value.
  • ⁇ equal to 105 °
  • a value that it retains in a third temperature range which corresponds to temperatures above 107 ° C.
  • the molecular switch confers non-wetting properties (or hydrophobic in this case) on the heat exchange surface.
  • the reversible transition between the wetting and non-wetting properties occurs on the second temperature range, this second interval, between 100 ° C and 107 ° C, corresponding to the lower critical temperature of solubility.
  • TLCST of the molecular switch the fact that this lower critical temperature of solubility TLCST is defined by a temperature range results from a dispersion of the wetting properties that the molecular switch can confer on the heat exchange surface. when this molecular switch is not evenly distributed on the substrate.
  • the more regular and homogeneous the distribution of the molecular switch on the substrate the closer the interval in which the lower critical temperature of solubility TLCST of this molecular switch falls, or even to a temperature value. .
  • the temperature of this structure when the heat exchange structure is heated, by heating means, in the presence of the liquid at a temperature above the saturation temperature of the liquid to allow the boiling of the latter, the temperature of this structure , and therefore its heat exchange surface, will increase until it reaches and then exceeds the lower TLCST solubility critical temperature of the molecular switch present at the heat exchange surface.
  • TLCST solubility critical temperature of the molecular switch present at the heat exchange surface.
  • the molecular switch which is chosen so as to confer non-wetting properties on the liquid, promotes the formation of bubbles and the start of boiling.
  • the bubble growth phase there is a sudden and very rapid decrease in the temperature of the areas of the heat exchange surface below the bubbles.
  • This reduction can typically be of the order of 10 ° C with a liquid such as water and be done in a time of a few milliseconds.
  • This reduction in the temperature of said zones causes a general decrease in the temperature of the heat exchange surface to a temperature below TLCST and at which the molecular switch confers wetting properties on the heat exchange surface.
  • the heat transfer from the heat exchange surface to the bubbles is then improved, as is the detachment of these bubbles from this surface, thus ensuring a high frequency of bubble emission.
  • the areas of the exchange surface previously located beneath these bubbles are rewetted by liquid. These zones are therefore no longer effectively cooled and rise in temperature beyond TLCST. At this temperature, the heat exchange surface has non-wetting properties that promote the formation of bubbles. A new cycle of formation, growth and detachment of bubbles will thus be established.
  • the lower critical temperature TLCST solubility of the molecular switch of the layer intended to be in contact with the liquid is between its T t and T t his + 20 ° C.
  • the lower critical temperature TLCST solubility of the molecular switch is advantageously between its T t and T t his + 10 ° C and, preferably, between its T t and T t his + 5 ° C.
  • the choice of a constricted interval around the TLCST value of the molecular switch makes it possible to favor the frequency of formation of the bubbles, on the one hand, and the frequency of their growth and detachment, on the other hand rt.
  • the choice of such a constricted interval makes it possible to optimize the heat transfer provided by the heat exchange structure according to the invention.
  • the heat exchange surface intended to be in contact with the liquid may comprise only one molecular switch.
  • the choice of such a thermo-dependent compound is advantageously based on the temperature range which is targeted and which is determined by the saturation temperature of the liquid. This saturation temperature corresponds to the boiling temperature if the heat exchange by boiling occurs at atmospheric temperature.
  • the molecular switch is advantageously chosen so as to be grafted to the substrate.
  • Another advantage of grafting is that it can be envisaged, regardless of the constituent material of this substrate.
  • the substrate of the heat exchange structure according to the invention may be metal, polymer (s) or composite material or ceramic, especially based on oxides, carbides or nitrides.
  • the heat exchange structure is therefore not limited by the substrate material, unlike the structure described in WO 2010/012798 A1.
  • the molecular switch comprises at least one functional group capable of reacting with a coupling agent to form a modified molecular switch, the latter itself being capable of reacting with the substrate.
  • This functional group is advantageously chosen from the group consisting of an alcohol, a carboxylic acid and an amine.
  • the coupling agent is advantageously a silane comprising an isocyanate group, preferably chosen from the group consisting of OCN (CH 2 ) 3 Si (OEt) 3 , OCN (CH 2 ) 3 Si (OMe) 3 and OCN (CH 3 ) 2 ) 3 SiMe 2 CI.
  • the functional group present on the molecular switch is a carboxylic acid
  • this functional group present on the molecular switch is an amine
  • a coupling agent capable of forming a urea bond
  • the substrate is made of a material having good thermal conduction properties.
  • This substrate may, as already indicated above, be metal, but also ceramic (especially graphically covalent ceramic) or a composite material, based on oxide (s) and / or comprising carbon nanotubes.
  • the molecular switch considered here is a polyethylene glycol.
  • This polyethylene glycol is modified by adding, in anhydrous dichloromethane, the silane coupling agent carrying an isocyanate group OCN (CH 2 ) 3 Si (OEt) 3.
  • OCN isocyanate group
  • OEt isocyanate group
  • the reaction product is a modified polyethylene glycol having a silane functional group capable of reacting with the substrate.
  • the substrate is then soaked in an anhydrous solution comprising the modified polyethylene glycol H (OCH 2 CH 2) nOCON H (CH 2) 3 Si (OEt) 3 and dichloromethane, and then exposed to the atmosphere.
  • the hydrolysis of the modified polyethylene glycol comprising a silane functional group takes place in the presence of atmospheric water. This hydrolysis is carried out, at first, at room temperature and then, in a second step, in an oven at 100 ° C. for 5 minutes.
  • Figure 2a illustrates the corresponding hydrolysis reaction.
  • the modified molecular switch is grafted to the substrate by the H (OCH 2 CH 2) n OCONH (CH 2) 3 Si (O) 3 bond, to form a nanoscale oxide layer of organosilane corresponding to the generic formula R-Si (0-) 3.
  • silane coupling agents carrying an isocyanate function may be used.
  • OCN CH 2 3 Si (OMe) 3
  • OCN CH 2 ) 3SiMe 2 Cl.
  • the molecular switch comprises at least one functional group capable of reacting with at least one functional group of the substrate.
  • the substrate is modified.
  • This functional group of the substrate is advantageously an amine and, preferably, a primary amine.
  • a first method consists in reacting the substrate, in particular when the latter is made of metal or with an oxide base, with an alanine derivative, such as an alanine catechol.
  • an alanine derivative such as an alanine catechol.
  • the hydroxy groups of the catechol will react with the substrate to form a catecholate, the N H2 of the amino acid group of the alanine remaining free to react with the functional group of the molecular switch.
  • a nanometric organic layer is formed between the substrate and the molecular switch.
  • silane coupling agents which may be suitable, those having the formula NH 2 (CH 2) n SiR x (Y) 3 - x may advantageously be mentioned, in which:
  • n 3 to 6
  • a third method making it possible to functionalize the substrate with an amine consists in implementing the so-called “diazonium salt-induced anchoring method" (Diazonium-1 nduced Anchorage Process or DIAP).
  • DIAP Diazonium-1 nduced Anchorage Process
  • This DIAP process makes it possible to covalently graft, at ambient temperature, at atmospheric pressure, in an aqueous medium and without external energy input, an aryldiazonium salt on the substrate, whatever the material of this substrate.
  • the latter can therefore be metal, polymer (s) or composite or ceramic material.
  • the aryldiazonium salt grafted onto the substrate leaves a free amine function consisting of the aniline radical -C6H5-NH2.
  • the functional group of the substrate is constituted by an amine, preferably a primary amine
  • the functional group of the molecular switch is a succinimidyl ester.
  • This succinimidyl ester may in particular be constituted by one or other of the succinimidyl esters appearing in the first column of Table 1 below.
  • the molecular switch comprising the succinimidyl ester functional group corresponding to each of the esters of the first column.
  • the molecular switch is grafted only on a part of the substrate of the heat exchange structure according to the invention.
  • the molecular switch is grafted on the entire surface of the substrate intended to be in contact with the liquid, to form with this surface, the heat exchange surface.
  • the molecular switch may, in particular, be a homopolymer or a copolymer.
  • the molecular switch is a homopolymer
  • it may especially be chosen from the group consisting of a poly (/ V-isopropylacrylamide) or polyNIPAM for short, a polyvinylcaprolactam, a hydroxypropylcellulose, a polyoxazoline, a polyvinylmethylether and a polyethylene glycol (PEG).
  • Table 3 Listed in Table 3 below are the TLCST solubility lower critical temperature values of the homopolymers just listed.
  • the TLCST values may be in a range.
  • the TLCST values of hydroxypropylcellulose and polyethylene glycol are respectively between 40 ° C. and 56 ° C. and between 100 ° C. and 130 ° C. and depend in particular on the molecular weight of the polymer in question.
  • the molecular switch obtained by copolymerization of two or more co-polymers. monomers.
  • the molecular switch is a copolymer.
  • such a copolymer can be envisaged when it is desired to modify the lower critical temperature of solubility TLCST conferred by a homopolymer.
  • TLCST can also be modified by choosing a homopolymer or a copolymer comprising a filler, in which case a decrease in this value is observed. Conversely, the introduction of an amphiphilic group in a homopolymer or a copolymer makes it possible to increase this value of TLCST.
  • the molecular switch can be mixed with a salt, a surfactant or a solvent.
  • additional compounds also make it possible to substantially modify the lower TLCST solubility critical temperature of a given molecular switch, while maintaining the reversible transition profile between the wetting and non-wetting properties.
  • the addition of a salt makes it possible to reduce this value while that of a surfactant or a solvent makes it possible to increase it.
  • alkali metal salts such as lithium, sodium or potassium.
  • the halides and acetates of such alkali metals may be mentioned.
  • surfactants which may also be added include polysorbates (also called Tween), ammonium or phosphonium salts comprising alkyl or aryl groups and halide ions, and certain nonionic surfactants such as poly (n alkyl) phénoxypolyéthoxyéthanols, n-alkyl being a nonyl or octyl, such as those sold by the company Rhodia under the trade name Igepal ®.
  • polysorbates also called Tween
  • ammonium or phosphonium salts comprising alkyl or aryl groups and halide ions
  • nonionic surfactants such as poly (n alkyl) phénoxypolyéthoxyéthanols, n-alkyl being a nonyl or octyl, such as those sold by the company Rhodia under the trade name Igepal ®.
  • solvents that may also be added include alcohols such as ethanol, propanol, butanol or ethylene glycol.
  • the heat exchange surface which comprises said at least one molecular switch has a thickness less than or equal to 1 ⁇ , advantageously between 1 nm and 500 nm and, preferably, between 5 nm and 100 nm.
  • Such a thickness generates a thermal resistance which is negligible in comparison with the heat exchange boiling and which is therefore not detrimental to the heat transfer provided by the heat exchange structure according to the invention.
  • the subject of the present invention is also an assembly implementing a thermal transfer by boiling a liquid, this assembly comprising a heat exchange structure according to the invention, the heat exchange structure being as defined above, and heating means for boiling the liquid at the heat exchange surface.
  • the heating means may in particular be provided by a power source. These heating means may, if necessary, be supplemented by means for regulating the temperature, for example by a thermostat.
  • the aforementioned aims are also achieved, secondly, by a method of manufacturing a heat exchange structure implementing a thermal transfer by boiling a liquid, said heat exchange structure comprising a substrate and a surface of heat exchange intended to be in contact with said liquid, this heat exchange structure being as defined above.
  • this process comprises a step of deposition, on all or part of the substrate, of at least one molecular switch having a lower critical temperature of solubility TLCST above which it confers on the heat exchange surface of non-wetting properties vis-à-vis the liquid and below which it gives the thermal exchange surface wetting properties vis-à-vis the liquid, this lower critical temperature TLCST solubility of the molecular switch being selected from to be greater than or equal to the saturation temperature T t of the liquid.
  • the lower critical temperature TLCST solubility of the molecular switch is between its T t Tsat and + 20 ° C, preferably between its T t and T t his + 10 ° C and , preferably between its T t
  • a heat exchange structure with a heterogeneous heat exchange surface is produced concomitantly.
  • this substrate can be smooth, it can also be subjected to an additional step of microscopic or macroscopic treatment, prior to the deposition of the layer intended to be in contact with the liquid.
  • This additional step which can in particular result in the formation of micro-fins, protuberances or cavities (in particular by a porous layer deposition), makes it possible to improve the heat transfer performance by boiling. The advantages of the additional step are thus added to those conferred by the process of the invention.
  • the method according to the invention is relatively easy to implement. It is furthermore not limited, either by the size of the substrate or by its shape, unlike the method described in the document WO 2010/012798 A1.
  • the method according to the invention can be implemented for produce an open heat exchange structure but also a closed heat exchange structure, such as a tube.
  • Such a deposition of at least one molecular switch may further be envisaged, regardless of the material of the substrate, the substrate being able to be indifferently made of metal, of polymer (s) or else of composite or ceramic material.
  • the deposition step is preferably carried out by grafting.
  • the deposition step is carried out by grafting onto the substrate a modified molecular switch.
  • This modified switch is obtained by the reaction of a coupling agent with the molecular switch which comprises a functional group capable of reacting with this coupling agent.
  • this functional group of the molecular switch is advantageously chosen from the group consisting of an alcohol, a carboxylic acid and an amine.
  • the coupling agent is advantageously a silane comprising an isocyanate group, preferably chosen from the group consisting of OCN (CH 2 ) 3 Si (OEt) 3 , OCN (CH 2 ) 3 Si (OMe) 3 and OCN (CH 3 ) 2 ) 3 SiMe 2 CI.
  • FIGS. 2a and 2b Reference will be made to what is described above and is illustrated by FIGS. 2a and 2b for the reactions implemented for this graft deposition.
  • the method according to the invention favors the preliminary reaction of the coupling agent with the molecular switch, before the grafting of the modified molecular switch on the substrate, one could also consider reacting the molecular switch with the coupling agent, the latter being grafted onto the substrate.
  • this variant of the process would lead to low yields, especially in the case where the coupling agent comprises an isocyanate group which, being particularly reactive in the presence of water, react with traces of water before reacting with the functional group of the molecular switch introduced in a second step.
  • the deposition step is carried out by grafting, on the substrate comprising a functional group, of the molecular switch also comprising a functional group capable of reacting with this functional group of the substrate.
  • the substrate is thus modified and comprises a functional group which is advantageously an amine and, preferably, a primary amine.
  • the functional group of the substrate is constituted by an amine, preferably a primary amine
  • the functional group of the molecular switch is a succinimidyl ester.
  • This succinimidyl ester may in particular be constituted by one or other of the succinimidyl esters appearing in the first column of Table 1 above.
  • the method for manufacturing the heat exchange structure according to the invention in particular when the deposition step is carried out by grafting, can be carried out wet, for example by quenching or by circulation, in treatment tanks. optionally closed, comprising the reactive solutions.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing an assembly implementing a heat transfer by boiling a liquid, this assembly being as defined above and comprising a heat exchange structure according to the invention as well as heating means for boiling the liquid at the heat exchange surface.
  • this method of manufacturing the assembly comprises a step of connecting a heat exchange structure manufactured by the manufacturing method as defined above, to heating means.
  • the present invention also relates to a heat exchange device implementing a heat transfer by boiling a liquid, the heat exchange device comprising said liquid and a heat exchange structure according to the invention, as defined above.
  • the liquid is conventionally a heat-transfer liquid and may especially be water or an aqueous solution. Other non-wetting liquids may also be contemplated.
  • the present invention finally relates to the use of a heat exchange structure according to the invention, an assembly according to the invention or a heat exchange device according to the invention in a boiler, a thermosiphon diphasic or a heat pipe.
  • FIG. 1 illustrates the variations of the wetting properties as a function of the temperature of a molecular switch that can be implemented in the heat exchange structure according to the invention
  • FIGS. 2a and 2b correspond to the hydrolysis reaction and fixing, on the substrate, polyethylene glycol grafted with two silane coupling agents carrying a different isocyanate group;
  • FIG. 3 corresponds to the hydrolysis and fixing reaction, on the substrate comprising an -NH 2 group, of polyethylene comprising a valerate succinimidyl group;
  • FIG. 4 is a schematic representation of the experimental device used during the tests
  • FIG. 5 shows the evolution of the thermal flux dissipated by two heat exchange structures, one of which according to the invention, as a function of the superheating required for boiling; and
  • FIG. 6 shows the evolution of the heat exchange coefficient as a function of the heat flux dissipated by these same two heat exchange structures.
  • the molecular switch selected was a polyethylene glycol (PEG) with a number-average molecular weight M n of 35,000 g / mol and a lower critical solubility temperature of between 108 ° C and 114 ° C.
  • PEG polyethylene glycol
  • This PEG was modified by adding, in anhydrous dichloromethane, the silane coupling agent comprising an isocyanate group OCN (CH 2) 3 Si (OEt) 3.
  • the stainless steel substrate was then soaked in an anhydrous solution comprising dichloromethane and PEG thus modified, and was then exposed to the atmosphere. Hydrolysis took place in the presence of atmospheric water.
  • the stainless steel substrate was soaked in an anhydrous solution comprising dichloromethane and the same coupling agent OCN (CH 2) 3 Si (OEt) 3, and then exposed to the atmosphere. Hydrolysis took place in the presence of atmospheric water. This hydrolysis was carried out initially at ambient temperature and then, in a second step, in an oven at 100 ° C. for 5 minutes. It is known that, in the case of sterically hindered coupling agents, it is advantageous to finalize hydrolysis by a heat treatment in order to optimize the mechanical resistance to the grafting substrate produced.
  • both the reference heat exchange structures according to the invention both have, before the boiling tests, equivalent wetting properties with a contact angle value ⁇ of 80 ° at room temperature. room.
  • the experimental device illustrated in FIG. 4 was used for conducting the tests.
  • This device 1 comprises a thermostatic tank 2 containing a liquid 3.
  • a circulation circuit 4 of the liquid 3 equipped with a pump P is connected between an inlet 5 and an outlet 5 'of the tank 2.
  • the pump P is associated with a thermostat T to control the temperature of the liquid 3 contained in the tray 2.
  • This structure 7 is connected to a source of power supply schematically in Figure 2, its positive (+) and negative (-), and a thermocouple 8, which may be a thermocouple type K.
  • the Joule effect induced by the current generated by the power supply source boils the liquid 3 near the heat exchange structure 7 heated.
  • thermocouple 8 made it possible to quantify heat exchange by boiling.
  • FIG. 6 shows the evolution of the heat exchange coefficient noted h (in W / m 2 .K) as a function of the thermal flux q (in kW / m 2 ) dissipated by the heat exchange structures according to the invention. and reference.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

La présente invention se rapporte à une structure d'échange thermique mettant en œuvre un transfert thermique par ébullition d'un liquide et comprenant un substrat et au moins une couche destinée à être en contact avec un liquide et disposée au moins partiellement sur le substrat. La composition de cette couche comprend au moins un interrupteur moléculaire ayant une température critique inférieure de solubilité TLCST au-dessus de laquelle il confère à la couche des propriétés non mouillantes vis-à-vis du liquide et en dessous de laquelle il confère à la couche des propriétés mouillantes vis-à-vis du liquide, cette température critique inférieure de solubilité TLCST de l'interrupteur moléculaire étant choisie de manière à être supérieure ou égale à la température de saturation Tsat du liquide. La présente invention se rapporte également à un ensemble ainsi qu'à un dispositif d'échange thermique comprenant une telle structure, à leurs utilisations ainsi qu'aux procédés de fabrication de tels structure et ensemble.

Description

STRUCTURE D'ECHANGE THERMIQUE, SON PROCEDE DE FABRICATION, DISPOSITIF D'ECHANGE THERMIQUE COMPRENANT UNE TELLE STRUCTURE ET LEURS UTILISATIONS
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte à une structure d'échange thermique, à un dispositif d'échange thermique, en particulier par ébullition de fluide, comprena nt une telle structure, par exemple un bouilleur, un thermosiphon diphasique ou un caloduc, ainsi qu'aux utilisations de cette structure et de ce dispositif.
La présente invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'une telle structure d'échange thermique.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
L'efficacité énergétique des dispositifs d'échange thermique repose principalement sur l'amélioration des performances des surfaces d'échange thermique qui les composent.
Dans le cas de dispositifs d'échange thermique mettant en œuvre des écoulements diphasiques liquide/vapeur, la distribution des phases dans le dispositif peut être source de détérioration des transferts de chaleur, que ces transferts soient opérés par condensation, par évaporation ou par ébullition.
Dans le cadre de la présente invention, on va plus particulièrement s'attacher aux dispositifs d'échange thermique metta nt en œuvre un transfert thermique par ébullition.
De tels dispositifs comportent une structure d'échange thermique qui présente une surface d'échange thermique au niveau de laquelle le liquide, en contact avec ladite surface, est soumis à un changement de phase par évaporation. Sous l'effet de la température de cette surface, le cycle d'ébullition du liquide va s'établir : des bulles se forment à partir de sites de nucléation présents sur cette surface, puis croissent et enfin se détachent de la surface d'échange thermique. Il est connu que la mise en œuvre de surfaces d'échange thermique mouillantes peut permettre d'obtenir de bonnes performances de transfert thermique. En effet, en raison du faible angle de contact (typiquement inférieur à 90°) entre la portion de sphère des bulles en contact avec la surface mouillante, on observe un bon transfert de chaleur de la surface vers les bulles ainsi qu'un détachement aisé des bulles à partir de cette surface assurant ainsi une fréquence élevée d'émission de bulles. Par contre, les surfaces d'échange thermique mouillantes ne permettent pas d'obtenir des sites de nucléation suffisamment nombreux et actifs pour assurer la formation des bulles. Pour y remédier, il devient nécessaire d'augmenter la température de la surface d'échange thermique afin de recréer les conditions nécessaires à la formation de ces bulles. Une telle augmentation peut conduire à une surchauffe de cette surface d'échange thermique et, par conséquent, à la dégradation du coefficient d'échange thermique.
Au contraire, la formation, ou nucléation, de bulles est favorisée par la mise en œuvre d'une surface d'échange thermique non mouillante. L'angle de contact que forme la portion de sphère de ces bulles en contact avec cette surface est alors élevé, typiquement supérieur ou égal à 90°. Toutefois, les bulles formées au niveau d'une surface non mouillante ont tendance à coalescer et, ne se détachant pas aisément de cette surface, elles présentent une fréquence d'émission faible. La mise en œuvre d'une surface d'échange thermique non mouillante n'est donc pas favorable à elle seule à un bon transfert thermique.
On observe donc que le cycle d'ébullition est soumis à des effets antagonistes en fonction des propriétés mouillantes ou non mouillantes que présente la surface d'échange thermique.
Pour remédier à ces effets antagonistes et donc améliorer le transfert thermique par ébullition, il a été proposé de réaliser des surfaces d'échange thermique hétérogènes, en ce qu'elles présentent des propriétés mouillantes et non mouillantes. De telles surfaces comprennent ainsi des sites non mouillants, favorisant la nucléation des bulles, ces surfaces étant par ailleurs globalement mouillantes afin de favoriser la croissance et le détachement des bulles et, par conséquent, le transfert de chaleur. On pourra à cet égard se référer au document EP 2 028 432 Al qui décrit un échangeur de chaleur comprenant au moins une surface d'échange thermique hydrophile (mouillante) en contact avec un fluide de refroidissement. Cette surface hydrophile présente une rugosité de surface inférieure à 1 μιη et comprend, pour contrôler le déclenchement de l'ébullition :
- au moins une zone discrète (ou site de nucléation) sur laquelle sont greffées, de façon covalente, des molécules hydrophobes (non mouillantes), ou
- au moins une zone discrète (ou site de nucléation) revêtue d'un polymère hydrophobe (non mouillant).
Le document WO 2010/012798 Al décrit également une structure d'échange thermique présentant une surface d'échange thermique hétérogène. Cette surface d'échange thermique hétérogène comporte, disposée sur un substrat, une structure nanométrique recouvrant une structure micrométrique formée de cavités dont la surface intérieure présente des propriétés non mouillantes. La zone inter-cavité, quant- à-elle, présente des propriétés mouillantes et la proportion de surface non mouillante par rapport à la surface totale est faible, avantageusement inférieure à environ 15%. La surface intérieure des cavités est donc propice à la formation de bulles, ces cavités étant bordées d'une surface facilitant le détachement des bulles.
Si les surfaces d'échange thermique décrites dans les documents mentionnés ci-dessus s'avèrent satisfaisantes en termes d'efficacité et permettent d'obtenir un bon transfert thermique, il n'en demeure pas moins qu'elles sont relativement complexes à réaliser, notamment en raison de leur hétérogénéité. En particulier, l'hétérogénéité chimique obtenue par la réalisation de zones discrètes non mouillantes sur une surface mouillante comme décrit dans le document EP 2 028 432 Al, tout comme l'hétérogénéité géométrique et chimique obtenue par la réalisation de cavités dotées de propriétés non mouillantes pour l'obtention de la structure d'échange thermique décrite dans le document WO 2010/012798 Al constituent de réelles contraintes industrielles.
En particulier, dans le document WO 2010/012798 Al, la structure micrométrique est réalisée par dépôts successifs, sur le substrat, d'une couche sacrificielle, d'un masque dur et d'une couche de photo-résine. Des cavités sont ensuite pratiquées dans ces trois couches. Puis, après retrait de la couche résiduelle de photorésine, il est procédé au dépôt de nanoparticules, notamment de nanoparticules métalliques ou en alliage métallique, puis au dépôt d'un film en matériau hydrophobe avant de réaliser un traitement hydrophile de la zone inter-cavité. Certaines des étapes qui viennent d'être citées sont mises en œuvre par des techniques qui ont des limites en termes de forme, de taille et/ou de matière du substrat à traiter. Typiquement, la couche sacrificielle, le masque dur et le film en un matériau hydrophobe sont réalisés par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (en anglais, Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition ou PECVD) tandis que les nanoparticules font l'objet d'un dépôt chimique en phase vapeur utilisant des précurseurs organo-métalliques (en anglais, Métal Organic Chemical Vapor Déposition ou MOCVD). Ces procédés PECVD et MOCVD ne peuvent être appliqués que sur des substrats qui présentent une surface ouverte et qui sont en ouvre de taille limitée (inférieure à 25x25 cm2). De surcroît, ces procédés peuvent mettre en œuvre des températures élevées (de l'ordre de 300 à 800°C) auxquelles tout type de substrats, notamment ceux en polymère(s), ne résiste pas.
De telles contraintes industrielles sont par ailleurs encore plus difficiles à surmonter lorsque les surfaces d'échange thermique sont destinées à équiper des structures d'échange thermique non ouvertes, telles que des tubes.
Le but de l'invention est par conséquent de pallier les inconvénients de l'art antérieur et de proposer des surfaces d'échange thermique par ébullition qui permettent d'assurer un bon transfert thermique et ce :
- quelle que soit la matière du substrat qui entre dans la constitution de la structure d'échange thermique, ce substrat pouvant indifféremment être en métal, en polymère(s) ou encore en matériau composite ou céramique,
- quelle que soit la forme de la structure d'échange thermique, qui peut tout aussi bien être ouverte que fermée,
- quelle que soit la taille de cette structure d'échange thermique.
Un autre but de l'invention est de fournir un procédé de fabrication d'une telle structure d'échange thermique qui ne se trouve pas limité par la matière du substrat de cette structure, la forme ou la taille de cette dernière et qui, de manière plus générale, soit aisé de mise en œuvre. En particulier, ce procédé n'impose pas de réaliser une hétérogénéité géométrique de ladite surface d'échange thermique, notamment par structuration mécanique ou par gravure laser pour former des sites de nucléation. EXPOSÉ DE L'INVENTION
Les buts précédemment énoncés ainsi que d'autres sont atteints, en premier lieu, pa r une structure d'échange thermique hétérogène du type précité, c'est-à- dire qui met en œuvre un transfert thermique par ébullition d'un liquide et qui com prend un substrat et une surface d'échange thermique destinée à être en contact avec ledit liquide.
Selon l'invention, cette surface d'échange thermique comprend au moins un interrupteur moléculaire ayant une température critique inférieure de solubilité TLCST au-dessus de laquelle il confère à la surface d'échange thermique des propriétés non mouillantes vis-à-vis du liquide et en dessous de laquelle il confère à la surface d'échange thermique des propriétés mouillantes vis-à-vis du liquide, cette température critique inférieure de solubilité TLCST de l'interrupteur moléculaire éta nt choisie de manière à être supérieure ou égale à la température de saturation Tsat du liquide.
Un interrupteur moléculaire est un composé qui oscille réversiblement entre deux ou plusieurs états sous l'effet d'un stimulus.
Dans le cadre de la présente invention, cet interrupteur moléculaire présente des propriétés de mouillage vis-à-vis d'un liquide qui varient en fonction de la température. Plus précisément, cet interrupteur moléculaire présente une température, dite "température critique inférieure de solubilité" et notée "TLCST" da ns la suite de la présente description, au-dessus de laquelle il se caractérise par des propriétés non mouillantes vis-à-vis du liquide considéré tandis qu'en dessous de cette température, il se caractérise par des propriétés mouillantes vis-à-vis de ce même liquide.
Les propriétés de mouillage d'un liquide sur une surface solide se déterminent par la forme que prend une goutte de ce liquide à cette surface, sous l'effet des interactions moléculaires entre les trois phases en présence (solide/liquide/gaz de l'environnement) et, plus particulièrement, par la valeur de l'angle de contact Θ à l'interface entre la goutte et la surface solide. Par définition, lorsque θ<90°, la goutte du liquide mouille la surface. On dit alors que la surface présente des propriétés "mouillantes" vis-à-vis de ce liquide. A l'inverse, lorsque θ>90°, la goutte du liquide ne mouille pas la surface. Cette dernière présente alors des propriétés dites "non mouillantes" vis-à-vis de ce liquide.
Une illustration de la variation thermo-dépendante des propriétés de mouillage conférées par un interrupteur moléculaire au sens de l'invention est donnée par la figure 1. Plus précisément, la courbe représentée sur la figure 1 illustre la variation de la valeur de l'angle de contact Θ formé par une goutte d'eau sur une surface d'échange thermique comprenant un polyéthylène glycol (PEG) comme interrupteur moléculaire, en fonction de la température de cette surface d'échange thermique.
Comme on peut l'observer sur cette figure 1, la valeur de l'angle de contact Θ est constante et égale à 80° pour des températures de surface d'échange thermique allant jusqu'à 100°C. Dans ce premier intervalle de températures, l'interrupteur moléculaire confère donc des propriétés mouillantes (ou hydrophiles puisque qu'en l'espèce, le liquide est de l'eau) à la surface d'échange thermique. A partir de 100°C et jusqu'à une température d'environ 107°C, qui correspond à un deuxième intervalle de températures, l'angle de contact Θ augmente fortement jusqu'à se sta biliser à une valeur d'angle de contact Θ égale à 105°, valeur qu'il conserve dans un troisième intervalle de températures, qui correspond à des températures supérieures à 107°C. Dans ce troisième intervalle de températures, l'interrupteur moléculaire confère des propriétés non mouillantes (ou hydrophobes dans le cas présent) à la surface d'échange thermique.
Dans le cas représenté sur la figure 1, la transition réversible entre les propriétés mouillantes et non mouillantes se produit sur le deuxième intervalle de températures, ce deuxième intervalle, compris entre 100°C et 107°C, correspondant à la température critique inférieure de solubilité TLCST de l'interrupteur moléculaire. Dans le cas présent, le fait que cette température critique inférieure de solubilité TLCST se trouve être définie par un intervalle de températures résulte d'une dispersion des propriétés de mouillage que peut conférer l'interrupteur moléculaire à la surface d'échange thermique, lorsque cet interrupteur moléculaire n'est pas régulièrement réparti sur le substrat. Ainsi, plus la répartition de l'interrupteur moléculaire sur le substrat est régulière et homogène, plus l'intervalle dans lequel s'inscrit la température critique inférieure de solubilité TLCST de cet interrupteur moléculaire est étroit, voire s'établit à une valeur de température.
Ainsi, en faisant varier la répartition de l'interrupteur moléculaire sur le substrat, on peut modifier la valeur de la température critique inférieure de solubilité TLCST de cet interrupteur moléculaire et, par conséquent, les priorités de mouillage de la structure d'échange thermique correspondante.
Le choix d'un interrupteur moléculaire tel que défini ci-dessus permet de disposer d'une structure d'échange thermique qui bénéficie de caractéristiques de mouillage dépendantes de la température.
En effet, lorsque la structure d'échange thermique est chauffée, par des moyens de chauffage, en présence du liquide à une température supérieure à la température de saturation de ce liquide pour permettre l'ébul lition de ce dernier, la température de cette structure, et donc de sa surface d'échange thermique, va augmenter jusqu'à atteindre puis dépasser la température critique inférieure de solubilité TLCST de l'interrupteur moléculaire présent à la surface d'échange thermique. A cette température supérieure à TLCST, l'interrupteur moléculaire, qui est choisi de manière à conférer des propriétés non mouillantes vis-à-vis du liquide, favorise la formation des bulles et le démarrage de l'ébullition. Pendant la phase de croissance des bulles, se produit une diminution brutale et très rapide de la température des zones de la surface d'échange thermique situées sous les bulles. Cette diminution peut typiquement être de l'ordre de 10°C avec un liquide comme de l'eau et se faire en un temps de quelques millisecondes. Cette diminution de la température des dites zones provoque une diminution générale de la température de la surface d'échange thermique jusqu'à une température inférieure à TLCST et à laquelle l'interrupteur moléculaire confère des propriétés mouillantes à la surface d'échange thermique. Le transfert de chaleur de la surface d'échange thermique vers les bulles est alors amélioré, tout comme le détachement de ces bulles à partir de cette surface, assurant ainsi une fréquence élevée d'émission de bulles. Après le détachement des bulles, les zones de la surface d'échange thermique préalablement situées sous ces bulles sont remouillées par du liquide. Ces zones ne sont donc plus refroidies efficacement et remontent en température au-delà de TLCST. A cette température, la surface d'échange thermique présente des propriétés non mouillantes qui favorisent la formation de bulles. Un nouveau cycle de formation, de croissance et de détachement des bulles va ainsi s'établir.
Le choix d'une surface d'échange thermique comprenant un interrupteur moléculaire tel que défini ci-dessus, qui favorise à la fois la formation, la croissance et le détachement des bulles, permet donc de réaliser une structure d'échange thermique hétérogène permettant un transfert thermique par ébullition amélioré.
Dans une version particulière de l'invention, la température critique inférieure de solubilité TLCST de l'interrupteur moléculaire de la couche destinée à être en contact avec le liquide est comprise entre Tsat et Tsat + 20°C.
Le choix d'une TLCST qui n'excède pas la valeur de Tsat + 20°C permet d'envisager une utilisation de la structure d'échange thermique selon l'invention, sans surchauffe excessive de la structure d'échange thermique. Ceci présente un avantage certain en termes de limitation de la consommation d'énergie et de durée de vie de la structure d'échange thermique.
I l est précisé que l'expression "compris(e) entre ... et ... " qui vient d'être citée et qui est utilisée dans la présente demande doit être comprise comme définissant non seulement les valeurs de l'intervalle, mais également les valeurs des bornes de cet intervalle.
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, la température critique inférieure de solubilité TLCST de l'interrupteur moléculaire est comprise avantageusement entre Tsat et Tsat + 10°C et, préférentiellement, entre Tsat et Tsat + 5°C.
Ainsi, le choix d'un intervalle resserré autour de la valeur de TLCST de l'interrupteur moléculaire permet de favoriser la fréquence de formation des bulles, d'une part, et la fréquence de leur croissance et de leur détachement, d'autre pa rt. En d'autres termes, le choix d'un tel intervalle resserré permet d'optimiser le transfert thermique assuré par la structure d'échange thermique selon l'invention. Dans le cadre de la présente invention, la surface d'échange thermique destinée à être en contact avec le liquide peut ne comprendre qu'un seul interrupteur moléculaire. Le choix d'un tel composé thermo-dépendant se fait avantageusement en fonction du domaine de températures qui est ciblé et qui déterminé par la température de saturation du liquide. Cette température de saturation correspond à la température d'ébullition si l'échange thermique par ébullition se produit à la température atmosphérique. La mise en œuvre d'un seul interrupteur moléculaire pour réaliser une structure d'échange thermique hétérogène représente un réel avantage par rapport aux structures hétérogènes complexes de l'art antérieur, en particulier celles décrites dans les documents EP 2 028 432 Al et WO 2010/012798 Al.
Mais rien n'interdit d'envisager la mise en œuvre d'une surface d'échange thermique comprenant deux ou plusieurs interrupteurs moléculaires différents afin de couvrir deux ou plusieurs intervalles de températures. En outre, et comme on l'a expliqué ci-avant, on peut également faire varier la répartition de ces deux ou plusieurs interrupteurs sur le substrat et ainsi modifier les priorités de mouillage de la structure d'échange thermique correspondante.
Pour optimiser son adhérence dans la structure d'échange thermique, l'interrupteur moléculaire est avantageusement choisi de manière à pouvoir être greffé au substrat. Un autre avantage lié au greffage réside dans le fait qu'il peut être envisagé, quelle que soit la matière constitutive de ce substrat. Ainsi, le substrat de la structure d'échange thermique selon l'invention peut être en métal, en polymère(s) ou encore en matériau composite ou céramique, notamment à base d'oxydes, de carbures ou encore de nitrures. La structure d'échange thermique n'est donc pas limitée par la matière du substrat, contrairement à la structure décrite dans le document WO 2010/012798 Al.
Plusieurs modes de greffage sont envisageables.
Selon un premier mode de greffage, l'interrupteur moléculaire comprend au moins un groupement fonctionnel susceptible de réagir avec un agent de couplage pour former un interrupteur moléculaire modifié, ce dernier étant lui-même susceptible de réagir avec le substrat. Ce groupement fonctionnel est avantageusement choisi dans le groupe constitué par un alcool, un acide carboxylique et une aminé.
En particulier, dans le cas où le groupement fonctionnel présent sur l'interrupteur moléculaire est un alcool, on privilégie un agent de couplage susceptible de former une liaison uréthane. Ainsi, l'agent de couplage est avantageusement un silane comprenant un groupement isocyanate, de préférence choisi dans le groupe constitué par OCN(CH2)3Si(OEt)3, OCN(CH2)3Si(OMe)3 et OCN(CH2)3SiMe2CI.
Dans le cas où le groupement fonctionnel présent sur l'interrupteur moléculaire est un acide carboxylique, on privilégie un agent de couplage susceptible de former une liaison amide.
Enfin, dans le cas où ce groupement fonctionnel présent sur l'interrupteur moléculaire est une aminé, on privilégie un agent de couplage susceptible de former une liaison urée.
Pour illustrer ce premier mode de greffage, on décrit ci-après la préparation d'un interrupteur moléculaire modifié, puis le greffage de celui-ci sur un substrat, notamment lorsque ce dernier est en métal ou à base d'oxyde(s).
De manière plus générale, le substrat est réalisé en un matériau présentant de bonnes propriétés de conduction thermique. Ce substrat peut, comme déjà indiqué ci-dessus, être en métal, mais également en céramique (notamment en céramique covalente graphique) ou encore en un matériau composite, à base d'oxyde(s) et/ou comprenant des nanotubes de carbone.
L'interrupteur moléculaire considéré ici est un polyéthylène glycol. Ce polyéthylène glycol est modifié par ajout, dans du dichlorométhane anhydre, de l'agent de couplage silane portant un groupement isocyanate OCN(CH2)3Si(OEt)3. La réaction qui se produit est la suivante, étant précisé que la liaison covalente uréthane se forme instantanément :
H(OCH2CH2)nOH +OCN(CH2)3Si(OEt)3→ H(OCH2CH2)nOCONH(CH2)3Si(OEt)3
Le produit de réaction est un polyéthylène glycol modifié comportant un groupement fonctionnel silane susceptible de réagir avec le substrat. Le substrat est alors trempé dans une solution anhydre comprenant le polyéthylène glycol modifié H(OCH2CH2)nOCON H(CH2)3Si(OEt)3 et du dichlorométhane, puis exposé à l'atmosphère. L'hydrolyse du polyéthylène glycol modifié comportant un groupement fonctionnel silane a lieu en présence de l'eau atmosphérique. Cette hydrolyse est conduite, dans un premier temps, à la température ambiante puis, dans un deuxième temps, dans une étuve à 100°C pendant 5 minutes. La figure 2a illustre la réaction d'hydrolyse correspondante. A l'issue de la réaction, l'interrupteur moléculaire modifié est greffé au substrat par la liaison H(OCH2CH2)nOCONH(CH2)3Si(0-)3, pour former une couche d'oxyde nanométrique d'organosilane répondant à la formule générique R-Si(0-)3.
Comme indiqué ci-dessus, d'autres agents de couplage silane portant une fonction isocyanate peuvent être utilisés. A titre d'exemples, on peut citer OCN(CH2)3Si(OMe)3 et OCN(CH2)3SiMe2CI.
Ainsi, l'utilisation du OCN(CH2)3SiMe2CI à la place du OCN(CH2)3Si(OEt)3 dans le protocole qui vient d'être décrit, permet de greffer un autre interrupteur moléculaire modifié au substrat, comme représenté sur la figure 2b.
Selon un deuxième mode de greffage, l'interrupteur moléculaire comprend au moins un groupement fonctionnel susceptible de réagir avec au moins un groupement fonctionnel du substrat.
Pour introduire ce groupement fonctionnel sur le substrat, le substrat est donc modifié. Ce groupement fonctionnel du substrat est avantageusement une aminé et, de préférence, une aminé primaire.
Pour fonctionnaliser par une aminé le substrat, une première méthode consiste à faire réagir le substrat, en particulier lorsque ce dernier est en métal ou à base d'oxyde, avec un dérivé d'alanine, tel qu'un catéchol d'alanine. Les groupements hydroxy du catéchol vont réagir avec le substrat pour former un catécholate, le N H2 du groupement acide aminé de l'alanine restant libre pour réagir avec le groupement fonctionnel de l'interrupteur moléculaire. Une couche organique nanométrique se forme donc entre le substrat et l'interrupteur moléculaire. Une deuxième méthode permettant d'introduire ce groupement fonctionnel aminé sur le substrat consiste à faire réagir le substrat avec un agent de couplage silane comprenant une fonction aminé, puis à effectuer une hydrolyse pour obtenir, comme décrit ci-dessus pour le premier mode de greffage de l'interrupteur moléculaire sur le substrat, une couche d'oxyde nanométrique de type R-Si(0-)z, avec z= l à 3.
Parmi les agents de couplage silane susceptibles de convenir, on peut avantageusement citer ceux répondant à la formule NH2(CH2)nSiRix(Y)3-x, dans laquelle :
n=3 à 6,
Figure imgf000014_0001
x=0 à 2, et
Y= Cl ou OR2, avec R2=CH3 ou C2H5.
Une troisième méthode permettant de fonctionnaliser par une aminé le substrat consiste à mettre en œuvre le procédé dit "procédé d'ancrage induit par des sels de diazonium" (en anglais, Diazonium-l nduced Anchorage Process ou DIAP). Ce procédé DIAP permet de greffer de manière covalente, à température ambiante, à la pression atmosphérique, en milieu aqueux et sans apport extérieur d'énergie, un sel d'aryldiazonium sur le substrat et ce, quelle que soit la matière de ce substrat. Ce dernier peut donc être en métal, en polymère(s) ou en matériau composite ou céramique. Le sel d'aryldiazonium greffé sur le substrat laisse une fonction aminé libre constituée par le radical aniline -C6H5-NH2.
Avantageusement, et notamment lorsque le groupement fonctionnel du substrat est constitué par une aminé, de préférence une aminé primaire, le groupement fonctionnel de l'interrupteur moléculaire est un ester de succinimidyle. Cet ester de succinimidyle peut notamment être constitué par l'un ou l'autre des esters de succinimidyle figurant dans la première colonne du tableau 1 ci-après.
Dans la deuxième colonne de ce tableau 1, figure la formule semi- développée de l'interrupteur moléculaire comprenant le groupement fonctionnel ester de succinimidyle correspondant à chacun des esters de la première colonne, l'interrupteur moléculaire considéré étant le polyéthylène glycol, abrégé PEG, et la fonction succinimidyle étant par ailleurs abrégée NHS.
L'hydrolyse de l'interrupteur moléculaire comprenant un groupement ester de succinimidyle en présence du substrat comprenant un groupement aminé permet d'obtenir le greffage de l'interrupteur moléculaire sur le substrat, conformément à la réaction représentée sur la figure 3.
Cette réaction d'hydrolyse est parfaitement maîtrisée, comme l'indiquent les temps de demi-vie (mesurés lors d'une hydrolyse conduite à un pH de 8 et à 25°C) reportés dans la troisième colonne du tableau 1.
Figure imgf000015_0001
Tableau 1
Comme cela ressort clairement du tableau 2 ci-dessous, il est possible de modifier la réactivité de cette réaction d'hydrolyse et, par conséquent, la réactivité du greffage de l'interrupteur moléculaire comprenant le groupement fonctionnel ester de succinimidyle sur le substrat comprenant le groupement fonctionnel NH2, en intervenant sur les conditions d'hydrolyse.
Figure imgf000015_0002
Tableau 2 Selon un mode de réalisation de l'invention, l'interrupteur moléculaire n'est greffé que sur une partie du substrat de la structure d'échange thermique selon l'invention. De préférence, l'interrupteur moléculaire est greffé sur toute la surface du substrat destinée à être en contact avec le liquide, pour constituer avec cette surface, la surface d'échange thermique.
L'interrupteur moléculaire peut, en particulier, être un homopolymère ou un copolymère.
Dans le cas où l'interrupteur moléculaire est un homopolymère, il peut notamment être choisi dans le groupe constitué par un poly(/V-isopropylacrylamide) ou polyNIPAM en abrégé, un polyvinylcaprolactame, un hydroxypropylcellulose, un polyoxazoline, un polyvinylméthyléther et un polyéthylène glycol (PEG).
Sont répertoriées dans le tableau 3 ci-dessous, les valeurs de température critique inférieure de solubilité TLCST des homopolymères qui viennent d'être listés.
Figure imgf000016_0001
Tableau 3
On observe que pour certains homopolymères, les valeurs de TLCST peuvent se situer dans un intervalle. À titre d'exemples, les valeurs de TLCST de l'hydroxypropylcellulose et du polyéthylène glycol sont respectivement comprises entre 40°C et 56°C et entre 100°C et 130°C et dépendent en particulier de la masse moléculaire du polymère considéré.
Dans une variante de l'invention, il est tout à fait possible de mettre en œuvre un interrupteur moléculaire obtenu par copolymérisation de deux, ou plus, co- monomères. Dans cette hypothèse, l'interrupteur moléculaire est un copolymère. En particulier, on peut envisager un tel copolymère lorsque l'on souhaite modifier la température critique inférieure de solubilité TLCST conférée par un homopolymère.
On peut également modifier cette valeur de TLCST en choisissant un homopolymère ou un copolymère comprenant une charge, auquel cas on observe une diminution de cette valeur. A l'inverse, l'introduction d'un groupement amphiphile da ns un homopolymère ou un copolymère permet d'augmenter de cette valeur de TLCST.
De manière plus générale, l'interrupteur moléculaire peut être mélangé avec un sel, un tensioactif ou un solvant. De tels composés additionnels permettent également de modifier sensiblement la température critique inférieure de solubilité TLCST d'un interrupteur moléculaire donné, tout en conservant le profil de transition réversible entre les propriétés mouillantes et non mouillantes. L'ajout d'un sel permet de diminuer cette valeur tandis que celui d'un tensioactif ou d'un solvant permet de l'augmenter.
Parmi les sels qui peuvent ainsi être ajoutés, on peut notamment citer les sels de métaux alcalins comme le lithium, le sodium ou le potassium. On peut, par exemple, citer les halogénures et acétates de tels métaux alcalins.
Parmi les tensioactifs qui peuvent également être ajoutés, on peut citer les polysorbates (également appelés Tween), les sels d'ammonium ou de phosphonium comprenant des groupements alkyles ou aryles et des ions halogénures, et certains tensioactifs non ioniques tels que les poly(n-alkyl)phénoxypolyéthoxyéthanols, le n-alkyl étant un nonyl ou un octyl, comme ceux commercialisés par la société Rhodia sous la dénomination commerciale Igepal®.
Parmi les solvants qui peuvent également être ajoutés, on peut citer les alcools tels que l'éthanol, le propanol, le butanol ou encore l'éthylène glycol.
Dans une version avantageuse de l'invention, la surface d'échange thermique qui comprend ledit au moins un interrupteur moléculaire, a une épaisseur inférieure ou égale à 1 μιη, avantageusement comprise entre 1 nm et 500 nm et, préférentiellement, entre 5 nm et 100 nm.
Une telle épaisseur engendre une résistance thermique qui est négligeable en comparaison avec l'échange thermique en ébullition et qui n'est donc pas préjudiciable au transfert de chaleur assuré par la structure d'échange thermique conforme à l'invention.
La présente invention a également pour objet un ensemble mettant en œuvre un transfert thermique par ébullition d'un liquide, cet ensemble comprenant une structure d'échange thermique selon l'invention, la structure d'échange thermique étant telle que définie ci-dessus, ainsi que des moyens de chauffage permettant l'ébullition du liquide au niveau de la surface d'échange thermique.
Les moyens de chauffage peuvent notamment être assurés par une source d'alimentation électrique. Ces moyens de chauffage peuvent, le cas échéant, être complétés par des moyens de régulation de la température, par exemple par un thermostat.
Les buts précités sont également atteints, en second lieu, par un procédé de fabrication d'une structure d'échange thermique mettant en œuvre un transfert thermique par ébullition d'un liquide, ladite structure d'échange thermique comprenant un substrat et une surface d'échange thermique destinée à être en contact avec ledit liquide, cette structure d'échange thermique étant telle que définie ci-dessus.
Selon l'invention, ce procédé comprend une étape de dépôt, sur tout ou partie du substrat, d'au moins un interrupteur moléculaire ayant une température critique inférieure de solubilité TLCST au-dessus de laquelle il confère à la surface d'échange thermique des propriétés non mouillantes vis-à-vis du liquide et en dessous de laquelle il confère à la surface d'échange thermique des propriétés mouillantes vis-à-vis du liquide, cette température critique inférieure de solubilité TLCST de l'interrupteur moléculaire étant choisie de manière à être supérieure ou égale à la température de saturation Tsat du liquide.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, la température critique inférieure de solubilité TLCST de l'interrupteur moléculaire est comprise entre Tsat et Tsat + 20°C, avantageusement entre Tsat et Tsat + 10°C et, préférentiellement, entre Tsat
Grâce au procédé selon l'invention, on réalise concomitamment une structure d'échange thermique dotée d'une surface d'échange thermique hétérogène par le dépôt, sur tout ou partie du substrat, d'au moins un interrupteur moléculaire particulier, qui confère des propriétés mouillantes et non mouillantes à la surface d'échange thermique destinée à être en contact avec le liquide, cette surface d'échange thermique étant formée par le substrat revêtu de cet au moins un interrupteur moléculaire.
Il n'est en outre pas nécessaire de procéder à un traitement préalable du substrat pour lui conférer une géométrie particulière visant à créer des sites de nucléation, par exemple par structuration mécanique ou par gravure par laser.
Si ce substrat peut être lisse, il peut également être soumis à une étape additionnelle de traitement microscopique ou macroscopique, préalable au dépôt de la couche destinée à être en contact avec le liquide. Cette étape additionnelle, qui peut notamment se traduire par la formation de micro-ailettes, de protubérances ou de cavités (notamment par un dépôt de couche poreuse), permet d'améliorer les performances de transfert thermique par ébullition. On additionne ainsi les avantages de l'étape additionnelle à ceux conférés par le procédé de l'invention.
Le procédé selon l'invention est de mise en œuvre relativement aisée. Il n'est en outre pas limité, que ce soit par la taille du substrat ou par sa forme, contrairement au procédé décrit dans le document WO 2010/012798 Al. En particulier, le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre pour réaliser une structure d'échange thermique ouverte mais également une structure d'échange thermique fermée, telle qu'un tube.
Un tel dépôt d'au moins un interrupteur moléculaire peut en outre être envisagé, quelle que soit la matière du substrat, le substrat pouvant indifféremment être en métal, en polymère(s) ou encore en matériau composite ou céramique.
Grâce au procédé de l'invention, on peut également envisager de réaliser le dépôt de cet interrupteur moléculaire, sur un substrat d'une ancienne structure d'échange thermique, pour en améliorer ses performances.
Dans le cadre du procédé de fabrication de la structure d'échange thermique selon l'invention, l'étape de dépôt est préférentiellement réalisée par greffage. Selon un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention, l'étape de dépôt est réalisée par greffage, sur le substrat, d'un interrupteur moléculaire modifié. Cet interrupteur modifié est obtenu par la réaction d'un agent de couplage avec l'interrupteur moléculaire qui comprend un groupement fonctionnel susceptible de réagir avec cet agent de couplage.
Comme déjà décrit ci-dessus, ce groupement fonctionnel de l'interrupteur moléculaire est avantageusement choisi dans le groupe constitué par un alcool, un acide carboxylique et une aminé.
En particulier, dans le cas où le groupement fonctionnel présent sur l'interrupteur moléculaire est un alcool, on privilégie un agent de couplage susceptible de former une liaison uréthane. Ainsi, l'agent de couplage est avantageusement un silane comprenant un groupement isocyanate, de préférence choisi dans le groupe constitué par OCN(CH2)3Si(OEt)3, OCN(CH2)3Si(OMe)3 et OCN(CH2)3SiMe2CI.
On se reportera à ce qui est décrit ci-dessus et est illustré par les figures 2a et 2b pour les réactions mises en œuvre pour ce dépôt par greffage.
Il est cependant précisé que, si le procédé selon l'invention privilégie la réaction préalable de l'agent de couplage avec l'interrupteur moléculaire, avant le greffage de l'interrupteur moléculaire modifié sur le substrat, on pourrait également envisager de faire réagir l'interrupteur moléculaire avec l'agent de couplage, ce dernier étant préalablement greffé sur le substrat. Toutefois, cette variante du procédé conduirait à de faibles rendements, en particulier dans le cas où l'agent de couplage comprend un groupement isocyanate qui, étant particulièrement réactif en présence d'eau, réagirait avec des traces d'eau avant de réagir avec le groupement fonctionnel de l'interrupteur moléculaire introduit dans une deuxième étape.
Selon un deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention, l'étape de dépôt est réalisée par greffage, sur le substrat comprenant un groupement fonctionnel, de l'interrupteur moléculaire comprenant également un groupement fonctionnel susceptible de réagir avec ce groupement fonctionnel du substrat. Selon ce deuxième mode de réalisation, le substrat est donc modifié et comprend un groupement fonctionnel qui est avantageusement une aminé et, de préférence, une aminé primaire.
On se reportera à ce qui a été décrit précédemment en relation avec les méthodes, au nombre de trois, qui permettent d'introduire le groupement fonctionnel aminé sur le substrat.
Avantageusement, et notamment lorsque le groupement fonctionnel du substrat est constitué par une aminé, de préférence une aminé primaire, le groupement fonctionnel de l'interrupteur moléculaire est un ester de succinimidyle. Cet ester de succinimidyle peut notamment être constitué par l'un ou l'autre des esters de succinimidyle figurant dans la première colonne du tableau 1 ci-dessus.
Le procédé de fabrication de la structure d'échange thermique selon l'invention, notamment lorsque l'étape de dépôt est effectuée par greffage, peut être mis en œuvre par voie humide, par exemple par trempé ou par circulation, dans des cuves de traitement éventuellement fermées, comprenant les solutions réactives.
La présente invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'un ensemble mettant en œuvre un transfert thermique par ébullition d'un liquide, cet ensemble étant tel que défini ci-dessus et comprenant une structure d'échange thermique selon l'invention ainsi que des moyens de chauffage permettant l'ébullition du liquide au niveau de la surface d'échange thermique.
Selon l'invention, ce procédé de fabrication de l'ensemble comprend une étape de raccordement d'une structure d'échange thermique fabriquée par le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus, à des moyens de chauffage.
La présente invention a encore pour objet un dispositif d'échange thermique mettant en œuvre un transfert thermique par ébullition d'un liquide, ce dispositif d'échange thermique comprenant ledit liquide et une structure d'échange thermique selon l'invention, telle que définie ci-dessus.
Le liquide est classiquement un liquide caloporteur et peut notamment être de l'eau ou une solution aqueuse. D'autres liquides non mouillants peuvent également être envisagés. La présente invention a enfin pour objet l'utilisation d'une structure d'échange thermique selon l'invention, d'un ensemble selon l'invention ou d'un dispositif d'échange thermique selon l'invention dans un bouilleur, un thermosiphon diphasique ou un caloduc.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture du complément de description qui suit, qui se rapporte à un exemple de préparation d'un interrupteur moléculaire modifié, à la fabrication d'une structure d'échange thermique selon l'invention ainsi qu'à des résultats expérimentaux illustrant les excellentes propriétés de transfert thermique de cette structure.
Bien entendu, ces exemples ne sont donnés qu'à titre d'illustration de l'objet de l'invention et ne constituent en aucun cas une limitation de cet objet.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera illustrée par l'exposé détaillé de modes de réalisation particuliers qui va suivre et des figures annexées suivantes :
- la figure 1 illustre les variations des propriétés de mouillage en fonction de la température d'un interrupteur moléculaire susceptible d'être mis en œuvre dans la structure d'échange thermique selon l'invention ;
- les figures 2a et 2b correspondent à la réaction d'hydrolyse et de fixation, sur le substrat, du polyéthylène glycol greffé par deux agents de couplage silane portant un groupement isocyanate distincts ;
- la figure 3 correspond à la réaction d'hydrolyse et de fixation, sur le substrat comprenant un groupement -NH2, du polyéthylène comprenant un groupement valérate de succinimidyle ;
- la figure 4 est une représentation schématique du dispositif expérimental utilisé lors des essais ;
- la figure 5 montre l'évolution du flux thermique dissipé par deux structures d'échange thermique, dont l'une conforme à l'invention, en fonction de la surchauffe nécessaire à l'ébullition ; et - la figure 6 montre l'évolution du coefficient d'échange thermique en fonction du flux thermique dissipé par ces mêmes deux structures d'échange thermique.
Les figures 1, 2a, 2b et 3 ont chacune fait l'objet d'un commentaire dans le précédent chapitre. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Lors des essais, deux structures d'échange thermique ont été testées. Ces deux structures comprenaient un même substrat, constitué par une feuille, également appelée clinquant, en inox de 10 cm de longueur, 5 mm de large et 20 μιη d'épaisseur.
Pour la fabrication de la structure d'échange thermique conforme à l'invention, l'interrupteur moléculaire retenu était un polyéthylène glycol (PEG) de masse moléculaire moyenne en nombre M n de 35.000 g/mol et de température critique inférieure de solubilité comprise entre 108°C et 114°C. Ce PEG a été modifié par ajout, dans du dichlorométhane anhydre, de l'agent de couplage silane comprenant un groupement isocyanate OCN(CH2)3Si(OEt)3. Le substrat en inox a alors été trempé dans une solution anhydre comprenant du dichlorométhane et le PEG ainsi modifié, puis a été exposé à l'atmosphère. L'hydrolyse a eu lieu en présence de l'eau atmosphérique. Cette hydrolyse a été conduite, da ns un premier temps, à la température ambiante puis, dans un deuxième temps, dans une étuve à 100°C pendant 5 minutes. Le PEG modifié puis greffé sur le substrat en inox présente une température critique inférieure de solubilité TLCST de 108°C.
Pour la fabrication de la structure d'échange thermique de référence, le substrat en inox a été trempé dans une solution anhydre comprenant du dichlorométhane et le même agent de couplage OCN(CH2)3Si(OEt)3, puis a été exposé à l'atmosphère. L'hydrolyse a eu lieu en présence de l'eau atmosphérique. Cette hydrolyse a été conduite dans un premier temps à la température ambiante puis, dans un deuxième temps, dans une étuve à 100°C pendant 5 minutes. I l est en effet connu que, dans le cas d'agents de couplage stériquement encombrés, il est avantageux de parachever l'hydrolyse par un traitement thermique afin d'optimiser la tenue mécanique au substrat du greffage réalisé.
Il est précisé que les structures d'échange thermique de référence et conforme à l'invention présentent toutes deux, avant les essais d'ébullition, des propriétés de mouillage équivalentes d'une valeur d'angle de contact Θ de 80° à la température ambiante.
Le dispositif expérimental illustré par la figure 4 a été utilisé pour la conduite des essais.
Ce dispositif 1 comprend un bac thermostaté 2 contenant un liquide 3. Un circuit de circulation 4 du liquide 3 équipé d'une pompe P est raccordé entre une entrée 5 et une sortie 5' du bac 2. La pompe P est associée à un thermostat T permettant de contrôler la température du liquide 3 contenu dans le bac 2. Sur un support 6 fixé sur le fond 2' du bac 2, est disposée horizontalement une structure d'échange thermique 7. Cette structure 7 est reliée à une source d'alimentation électrique schématisée, sur la figure 2, par ses bornes positive (+) et négative (-), ainsi qu'à un thermocouple 8, qui peut être un thermocouple de type K. L'effet Joule induit par le courant généré par la source d'alimentation électrique permet de porter à ébullition le liquide 3 à proximité de la structure d'échange thermique 7 chauffée.
L'ensemble des essais a été réalisé avec la structure d'échange thermique 7 plongée dans le bain de liquide 3 constitué par de l'eau déionisée et dégazée, maintenue à une température constante de 85°C au moyen du thermostat T. Les mesures relevées par le thermocouple 8 ont permis de quantifier les échanges thermiques par ébullition.
Il est précisé que ces essais ont été conduits, dans un premier temps, pour des flux de chaleur croissants puis, dans un second temps, pour des flux de chaleur décroissants. Dans le premier cas, les valeurs de flux thermique relevées (notées "flux montant") sont représentées par un symbole (triangle ou carré) plein sur les figures 5 et 6 ; dans le second cas, ces valeurs (notées "flux descendant") le sont par un symbole (triangle ou carré) vide sur ces mêmes figures 5 et 6. La figure 5 montre l'évolution du flux thermique noté q (en kW/m2) dissipé par la structure d'échange thermique en fonction de la surchauffe notée Tw-Tsat (en °C) nécessaire à l'ébullition de l'eau déionisée et dégazée, Tw représentant la température de la structure d'échange thermique testée et Tsat la température de saturation de cette eau à la pression atmosphérique (température d'ébullition).
On observe, sur cette figure 5, qu'à partir d'une valeur de surchauffe Tw- Tsat de l'ordre de 8°C, qui correspond à une température de structure d'échange thermique de 108°C (Tsat étant de l'ordre de 100°C à la pression atmosphérique), le flux dissipé par la structure d'échange thermique conforme à l'invention est supérieur au flux dissipé par la structure d'échange thermique de référence. En particulier, pour des valeurs de surchauffe Tw-Tsat comprises entre 8°C et 18°C, qui correspondent à une température de structure d'échange thermique comprise entre 108°C et 118°C, on observe même une augmentation de la pente de la courbe de flux dissipé obtenue avec la structure d'échange thermique conforme à l'invention, par rapport à celle de la courbe de flux dissipé obtenue avec la structure d'échange thermique de référence. Au-delà d'une valeur de surchauffe de 18°C, les transferts thermiques restent meilleurs avec la structure d'échange thermique conforme à l'invention.
La figure 6 montre l'évolution du coefficient d'échange thermique noté h (en W/m2.K) en fonction du flux thermique q (en kW/m2) dissipé par les structures d'échange thermique conforme à l'invention et de référence.
Cette figure 6 confirme bien les performances améliorées obtenues avec la structure d'échange thermique conforme à l'invention. On observe même une forte augmentation du coefficient d'échange thermique h à partir d'une valeur de flux dissipé q de l'ordre de 185 kW/m2, correspondant à une valeur de Tw d'environ 118°C.
On observe par ailleurs que les courbes obtenues pour les deux séries d'essais, à savoir pour des flux de chaleur croissants et décroissants, sont pratiquement superposables. Ce constat traduit donc une reproductibilité satisfaisante des résultats ainsi qu'une bonne tenue du greffage réalisé pour chacune des structures d'échange thermique, en particulier du greffage permettant d'obtenir la structure d'échange thermique conforme à l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Structure d'échange thermique mettant en œuvre un transfert thermique par ébullition d'un liquide, ladite structure d'échange thermique comprenant un substrat et une surface d'échange thermique destinée à être en contact avec ledit liquide, caractérisée en ce que la surface d'échange thermique comprend au moins un interrupteur moléculaire ayant une température critique inférieure de solubilité TLCST au- dessus de laquelle il confère à la surface d'échange thermique des propriétés non mouillantes vis-à-vis du liquide et en dessous de laquelle il confère à la surface d'échange thermique des propriétés mouillantes vis-à-vis du liquide, cette température critique inférieure de solubilité TLCST de l'interrupteur moléculaire éta nt choisie de ma nière à être supérieure ou égale à la température de saturation Tsat du liquide.
2. Structure d'échange thermique selon la revendication 1, da ns laquelle la température critique inférieure de solubilité TLCST de l'interrupteur moléculaire est comprise entre Tsat et Tsat + 20°C, avantageusement entre Tsat et Tsat + 10°C et, préférentiellement, entre Tsat et Tsat + 5°C.
3. Structure d'échange thermique selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle l'interrupteur moléculaire comprend au moins un groupement fonctionnel susceptible de réagir avec un agent de couplage pour former un interrupteur moléculaire modifié susceptible de réagir avec le substrat, le groupement fonctionnel étant avantageusement choisi da ns le groupe constitué par un alcool, un acide carboxylique et une aminé.
4. Structure d'échange thermique selon la revendication 3, da ns laquelle l'agent de couplage est un silane com prenant un groupement isocyanate, l'agent de couplage étant de préférence choisi dans le groupe constitué par OCN(CH2)3Si(OEt)3, OCN(CH2)3Si(OMe)3 et OCN(CH2)3SiMe2CI.
5. Structure d'échange thermique selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle l'interrupteur moléculaire comprend au moins un groupement fonctionnel susceptible de réagir avec au moins un groupement fonctionnel du substrat, ce groupement fonctionnel du substrat étant avantageusement une aminé, de préférence une aminé primaire.
6. Structure d'échange thermique selon la revendication 5, dans laquelle le groupement fonctionnel de l'interrupteur moléculaire est un ester de succinimidyle.
7. Structure d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle l'interrupteur moléculaire est un homopolymère, de préférence choisi dans le groupe constitué par un poly(/V-isopropylacrylamide), un polyvinylcaprolactame, un hydroxypropylcellulose, un polyoxazoline, un polyvinylméthyléther et un polyéthylène glycol.
8. Structure d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle l'interrupteur moléculaire est un copolymère, ledit copolymère pouvant comprendre une charge ou un groupement amphiphile.
9. Structure d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle la surface d'échange thermique qui comprend ledit au moins un interrupteur moléculaire a une épaisseur inférieure ou égale à 1 μιη, avantageusement comprise entre 1 et 500 nm et, préférentiellement, entre 5 et 100 nm.
10. Ensemble mettant en œuvre un transfert thermique par ébullition d'un liquide, ledit ensemble comprenant une structure d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 et des moyens de chauffage permettant l'ébullition dudit liquide au niveau de la surface d'échange thermique.
11. Dispositif d'échange thermique mettant en œuvre un transfert thermique par ébullition d'un liquide, ledit dispositif d'échange thermique comprenant ledit liquide et une structure d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
12. Utilisation d'une structure d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, d'un ensemble selon la revendication 10 ou d'un dispositif d'échange thermique selon la revendication 11 da ns un bouilleur, un thermosiphon diphasique ou un caloduc.
13. Procédé de fabrication d'une structure d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant une étape de dépôt, sur tout ou partie d'un substrat, d'au moins un interrupteur moléculaire ayant une température critique inférieure de solubilité TLCST au-dessus de laquelle il confère à la couche des propriétés non mouillantes vis-à-vis du liquide et en dessous de laquelle il confère à la couche des propriétés mouillantes vis-à-vis du liquide, cette température critique inférieure de solubilité TLCST de l'interrupteur moléculaire éta nt choisie de manière à être supérieure ou égale à la température de saturation Tsat du liquide.
14. Procédé de fabrication selon la revendication 13, dans lequel la température critique inférieure de solubilité TLCST de l'interrupteur moléculaire est comprise entre Tsat et Tsat + 20°C, avantageusement entre Tsat et Tsat + 10°C et, préférentiellement, entre Tsat et Tsat + 5°C.
15. Procédé de fabrication selon la revendication 13 ou 14, dans lequel l'étape de dépôt est réalisée par greffage, sur le substrat, d'un interrupteur moléculaire modifié obtenu par réaction d'un agent de couplage et de l'interrupteur moléculaire comprenant un groupement fonctionnel susceptible de réagir avec cet agent de couplage, ce groupement fonctionnel étant avantageusement choisi dans le groupe constitué par un alcool, un acide carboxylique et une aminé.
16. Procédé de fabrication selon la revendication 15, dans lequel l'agent de couplage est un silane comprenant un groupement isocyanate, de préférence choisi dans le groupe constitué par OCN(CH2)3Si(OEt)3, OCN(CH2)3Si(OMe)3 et OCN(CH2)3SiMe2CI.
17. Procédé de fabrication selon la revendication 13 ou 14, dans lequel l'étape de dépôt est réalisée par greffage, sur le substrat comprenant un groupement fonctionnel, de l'interrupteur moléculaire comprenant un groupement fonctionnel susceptible de réagir avec ce groupement fonctionnel du substrat, ce groupement fonctionnel du substrat étant avantageusement une aminé, de préférence une aminé primaire.
18. Procédé de fabrication selon la revendication 17, dans lequel le groupement fonctionnel de l'interrupteur moléculaire est un ester de succinimidyle.
19. Procédé de fabrication d'un ensemble selon la revendication 10, comprenant le raccordement, à des moyens de chauffage, d'une structure d'échange thermique fabriquée par le procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 18.
PCT/EP2014/062436 2013-06-14 2014-06-13 Structure d'echange thermique, son procede de fabrication, dispositif d'echange thermique comprenant une telle structure et leurs utilisations WO2014198930A1 (fr)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/898,082 US20160131444A1 (en) 2013-06-14 2014-06-13 Heat exchange structure, method for producing same, heat exchange device comprising such a structure and uses of same
EP14731220.1A EP3008418A1 (fr) 2013-06-14 2014-06-13 Structure d'echange thermique, son procede de fabrication, dispositif d'echange thermique comprenant une telle structure et leurs utilisations

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1355574 2013-06-14
FR1355574A FR3007123B1 (fr) 2013-06-14 2013-06-14 Structure d'echange thermique, son procede de fabrication, dispositif d'echange thermique comprenant une telle structure et leurs utilisations

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014198930A1 true WO2014198930A1 (fr) 2014-12-18

Family

ID=49546499

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2014/062436 WO2014198930A1 (fr) 2013-06-14 2014-06-13 Structure d'echange thermique, son procede de fabrication, dispositif d'echange thermique comprenant une telle structure et leurs utilisations

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20160131444A1 (fr)
EP (1) EP3008418A1 (fr)
FR (1) FR3007123B1 (fr)
WO (1) WO2014198930A1 (fr)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3124854B1 (fr) * 2021-07-01 2023-12-22 Commissariat Energie Atomique Echangeur thermique d’une machine à absorption

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006082906A1 (fr) * 2005-02-04 2006-08-10 Daikin Industries, Ltd. Echangeur de chaleur, appareil a cycle de refrigeration et materiau de revetement hydrophile a utiliser dans un tel echangeur
JP2007016689A (ja) * 2005-07-07 2007-01-25 Energy Support Corp ポンプ及びそれを備えた熱交換器
DE102007025175A1 (de) * 2006-06-27 2008-01-03 Behr Gmbh & Co. Kg Verfahren zum Verändern der Eigenschaften der Oberfläche eines Wärmeübertragers und Wärmeübertrager
US20100221627A1 (en) * 2006-10-27 2010-09-02 Canon Kabushiki Kaisha Heat transfer controlling mechanism and fuel cell system having the heat transfer controlling mechanism

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110024150A1 (en) * 2009-07-31 2011-02-03 General Electric Company Cooling system and method for current carrying conductor
US20120267077A1 (en) * 2011-04-21 2012-10-25 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Cooling apparatuses and power electronics modules comprising the same
US8780559B2 (en) * 2011-12-29 2014-07-15 General Electric Company Heat exchange assembly for use with electrical devices and methods of assembling an electrical device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006082906A1 (fr) * 2005-02-04 2006-08-10 Daikin Industries, Ltd. Echangeur de chaleur, appareil a cycle de refrigeration et materiau de revetement hydrophile a utiliser dans un tel echangeur
JP2007016689A (ja) * 2005-07-07 2007-01-25 Energy Support Corp ポンプ及びそれを備えた熱交換器
DE102007025175A1 (de) * 2006-06-27 2008-01-03 Behr Gmbh & Co. Kg Verfahren zum Verändern der Eigenschaften der Oberfläche eines Wärmeübertragers und Wärmeübertrager
US20100221627A1 (en) * 2006-10-27 2010-09-02 Canon Kabushiki Kaisha Heat transfer controlling mechanism and fuel cell system having the heat transfer controlling mechanism

Also Published As

Publication number Publication date
US20160131444A1 (en) 2016-05-12
FR3007123A1 (fr) 2014-12-19
FR3007123B1 (fr) 2017-12-15
EP3008418A1 (fr) 2016-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2691563B1 (fr) Réseau de nanotubes métalliques
JP2007049079A (ja) マスキングペースト、その製造方法およびマスキングペーストを用いた太陽電池の製造方法
EP3474356A1 (fr) Structure multicouche intégrant un tapis de nanotubes de carbone comme couche de diffusion dans une pemfc
WO2009103925A2 (fr) Croissance de nanotubes de carbone sur substrats de carbone ou metalliques
WO2007020833A1 (fr) Pâte de masquage, son procédé de production, et procédé de fabrication d’une cellule solaire utilisant cette pâte de masquage
EP3003973B1 (fr) Substrat conducteur electrique sur au moins une de ses faces muni d&#39;un empilement de couches minces pour la croissance de nanotubes de carbone (ntc)
EP2652533A1 (fr) Element optique comprenant un aerogel sans fissure
EP2999703B1 (fr) Materiau superoleophobe et/ou superhydrophobe, son procede de preparation et ses applications
WO2014198930A1 (fr) Structure d&#39;echange thermique, son procede de fabrication, dispositif d&#39;echange thermique comprenant une telle structure et leurs utilisations
EP2484629A1 (fr) Pièce de micromécanique complexe ajourée
FR2960562A1 (fr) Monocristal texture
EP2138457A1 (fr) Procédé d&#39;obtention de tapis de nanotubes de carbone sur substrat conducteur ou semi-conducteur
EP2177559B1 (fr) Procédé de formation de pores dans une matrice polymère
FR2952384A1 (fr) Depot selectif de nanoparticules
EP2376673B1 (fr) Procede de realisation d&#39;un depot de nanoparticules a adherence augmentee et dispositif pour la mise en uvre d&#39;un tel procede
WO2006005887A1 (fr) Procede de localisation d&#39;une espece chimique ou biologique sur un substrat, microsysteme d&#39;analyse et biopuce
EP3815158B1 (fr) Composition de polymère conducteur et son procédé de fabrication
EP2681771B1 (fr) Procede de gravure chimique selective
EP3559309A1 (fr) Procédé sol-gel de fabrication d&#39;un revêtement anticorrosion sur substrat métallique
EP3141519B1 (fr) Procédé de fabrication d&#39;une pièce micromécanique horlogère
US20110250526A1 (en) Method for fabricating a polymer electrolyte membrane for a fuel cell
EP2319956B1 (fr) Métallisation d&#39;une zone en silicium poreux par réduction in situ et application à une pile à combustible
EP2691960A1 (fr) Elaboration d&#39;electrodes transparentes en nanotubes de carbone metallises
WO2020244907A1 (fr) Empilement multicouche piézoélectrique de nitrure d&#39;aluminium, dispositif comprenant l&#39;empilement et procédé de réalisation
FR2997967A1 (fr) Fabrication d’un reseau metallique supporte

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14731220

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14898082

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2014731220

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2014731220

Country of ref document: EP