WO2015014926A1 - Evaporateur à dispositif anti-retour pour boucle diphasique - Google Patents

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WO2015014926A1
WO2015014926A1 PCT/EP2014/066468 EP2014066468W WO2015014926A1 WO 2015014926 A1 WO2015014926 A1 WO 2015014926A1 EP 2014066468 W EP2014066468 W EP 2014066468W WO 2015014926 A1 WO2015014926 A1 WO 2015014926A1
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evaporator
chamber
evaporator according
porous mass
inlet port
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PCT/EP2014/066468
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Vincent De Troz
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Euro Heat Pipes
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
    • F28D15/043—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure forming loops, e.g. capillary pumped loops
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0266—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with separate evaporating and condensing chambers connected by at least one conduit; Loop-type heat pipes; with multiple or common evaporating or condensing chambers

Definitions

  • the present invention relates to evaporators for two-phase thermal transfer systems with capillary pumping.
  • the invention relates to the constitution of such evaporators, in particular those intended to evacuate the calories generally produced by a dissipative element, in particular but not exclusively by an electronic processor or any electronic switching device.
  • the condenser function still uses a fan and the evaporator placed in contact with each processor is complex to manufacture and therefore the system is expensive.
  • the invention notably proposes an evaporator for a diphasic thermal transfer system with capillary pumping, comprising:
  • a base plate extending generally parallel to an interface plane and intended to receive heat from a dissipative element
  • a body with a bottom, side walls and an edge joined to the base plate so as to hermetically delimit an interior space of the evaporator
  • porous mass forming a layer with a capillary structure interposed between the base plate and the bottom, which defines a first chamber delimited by the base plate, the side walls and said porous mass layer and a second chamber delimited by the bottom, the side walls and said porous mass layer,
  • the first chamber being intended to house heat transfer fluid in essentially gaseous phase
  • the second chamber being intended to house heat transfer fluid in essentially liquid phase, and comprises an evaporator inlet orifice for a tubular pipe of liquid, characterized in that a non-return device is arranged in the second chamber at the level of the inlet port to prevent liquid reflux through the inlet, so that it avoids drying of the porous mass in the event of a sudden increase in the thermal power to receive.
  • evaporator can be used either in a two-phase loop called y LHP (Loop Heat Pipe) with tank 1 attached to the evaporator either in a two-phase loop are called CPL (Capillary Pumped Loop) with separate tank 1 evaporator.
  • CPL Chemical Pilly Pumped Loop
  • the liquid is refluxed from the evaporator to the condenser and thus makes the start of the capillary loop reliable.
  • LHP Low-L Heat Pipe
  • the non-return device is formed by a flexible band which is arranged to press against one of the side walls which comprises (and where is) the mouth of the inlet port; which represents a very simple solution to form an anti-return device, the flexible band naturally coming to close the inlet orifice; such a flexible strip disposed inside the tank forms a particularly economical solution, without other room (s) to be added;
  • the orifice Inlet will be placed rather above the flexible band and structured so as to allow evacuation of any bubbles of non-condensable gas or steam.
  • This structuring can, for example, be constituted by an arrangement of grooves allowing, when the flexible strip is in the open position, a nominal flow of liquid to the microporous mass and bubbles in opposite directions;
  • the flexible band is recalled by its own flexibility (intrinsic) against the inlet port with a prestressing; whereby the reliability of the anti-return device is improved, the liquid inlet having to overcome the prestressing experienced by the flexible band and the return of liquid being prevented;
  • the band is framed by the bottom and the porous mass with a clearance less than 15% of its height in a direction perpendicular to the interface plane; so that the flexible band can only move parallel to the interface plane, the frame between the bottom and the porous mass providing a very simple guidance;
  • the second chamber has a parallelepipedal general shape, the bottom and the porous mass flanking the flexible strip parallel; This allows a large displacement of flexible band inside the second chamber parallel to the interface plane and which represents a particularly simple and inexpensive embodiment;
  • the band is stainless steel, the body is also preferably stainless steel; whereby a very good durability of the anti-return device formed by the flexible band is obtained;
  • the strip has a length at least 10 times greater than its width (ie its 'height'), and the strip has a width at least 8 times greater than its thickness; so that we get good flexibility in a preferred direction, especially flexion in the interface plane P;
  • the strip has a length at least 10 times greater than the diameter of the inlet orifice; this makes it possible to choose the return stress towards the closed state according to a wide range of values including low values, in particular as a function of the thickness and the anchoring point;
  • the band has a fixing end and opposite a free end, the fixing end being attached to one of the side walls by a weld point or a recess and the free end being arranged near the orifice entrance; which constitutes a particularly simple assembly for assembling the flexible band inside the liquid chamber;
  • the side wall where the fixing end is fixed is adjacent to the side wall where the mouth of the inlet orifice is arranged; so that a bending is obtained which naturally creates a prestressing, for example a bending of 90 °, while the flexible band tends to return to a straight configuration.
  • the invention also aims at a two-phase thermal transfer system with capillary pumping for evacuating the heat dissipated by a dissipative element comprising an evaporator as described above, with the advantages mentioned above for both the LHP configuration and the CPL configuration.
  • FIG. 1 is a general schematic view of a two-phase loop cooling system incorporating an evaporator according to the invention
  • FIG. 2 is a general perspective view of a cooling device incorporating an evaporator according to the invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of an evaporator according to the invention, illustrating the anti-return device
  • FIG. 4 shows a bottom view of the body of one evaporator of FIG. 3,
  • FIG. 5 represents an alternative embodiment of the non-return blade
  • Figure 6 illustrates in more detail the flexible strip.
  • FIG. 1 represents an example of a closed loop two-loop loop cooling device, which comprises an evaporator 10, a condenser module 8, a first fluid line 40 called 'steam' connecting the outlet of the evaporator to the inlet of the condenser module, and a second fluid line 50 called 'liquid' connecting the outlet of the condenser module to the inlet of one evaporator.
  • CPL ' there may be further a separate reservoir (not shown) in communication with the liquid line 50.
  • the circulation of a two-phase working fluid is ensured by means of the capillary effect prevailing in a porous mass 3 arranged inside the evaporator 10.
  • Said porous mass 3 separates a first chamber 11 in thermal contact with the hot source and intended to generally contain working fluid in the gas phase, a second chamber 12 arranged opposite the hot source in the evaporator and intended to contain working fluid mainly in the liquid phase.
  • the thermal energy provided at the evaporator converts liquid to vapor which absorbs energy equivalent to the latent heat of vaporization of the working fluid.
  • the steam thus created is directed under pressure into the first line 40 to the inlet 8a of the condenser module.
  • the working fluid transfers its calories either directly into the environment or into another liquid fluid in a forced pipe (as shown, inlet 18a, outlet 18b), and thereby the working fluid passes in the liquid phase after yielding an energy corresponding to the latent heat.
  • the liquid fluid at the outlet 8b of the condenser is sucked by the pumping effect provided by the capillary structure of the porous mass, the second chamber and the pipe 50 being filled with the working fluid in the liquid phase.
  • capillary pumping systems are known by the acronyms of LHP (y Loop Heat Pipe ') or CPL (' Capillary Pumped Loop ') and are used as a harmless environment (space) than in terrestrial applications with gravity.
  • FIG. 1 does not mention the vertical direction and therefore there is no particular constraint concerning the orientation and the respective position of the evaporator and the condenser module as far as the capillary pumping effect remains superior to the effects of gravity given the density of the fluid used.
  • the main aim is terrestrial systems with high volume or large series applications, that is to say very large numbers of parts to be manufactured.
  • it is sought to reduce the cost price and the cost of production of the system components and in particular of the capillary evaporator 10.
  • FIG. 2 there is shown schematically an electronic card 19 provided with at least one processor 9. In the illustrated configuration, the card is shown in a horizontal position, but it could just as well be in a vertical position.
  • a capillary evaporator 10 configured to collect calories dissipated by the processor 9 according to a diphasic capillary loop process already described above.
  • the condenser module 8 is formed by a heat exchanger of liquid / liquid type preferably cross-flow, known per se and therefore not described in detail here.
  • the cooling fluid 18 will typically be water, at the temperature where it is available in the building, or close to room temperature or slightly cooled.
  • the evaporator comprises a base plate 1 intended to come into physical and thermal contact with the processor 9 according to an interface plane P and a body 2 which complements the base plate to form an enclosure as well. called an internal space 20, in which are arranged the elements of 1 evaporator which will be described below.
  • the base plate 1 includes a peripheral edge
  • the base plate is preferably formed of copper, which material has a very good coefficient of thermal conduction.
  • a capillary structure layer forming a porous mass 3 which in the illustrated example is a layer of constant thickness without any particular secondary form. Thus, it suffices to cut a porous layer with the correct dimensions of width and length, there is no need to machine steam channels inside this porous mass.
  • the aforementioned body 2 of the evaporator is arranged above the base plate and the porous mass, this body is preferably made of stainless steel called 'stainless steel'.
  • This body 2 comprises a bottom 21, which forms a wall parallel to the plane P, lateral walls 22 (lateral portions) which extend from the bottom all around the evaporator towards a border 24 which borders the body 2 in the vicinity of the P interface plane.
  • the border 24 and the peripheral edge 14 of the base plate 1 are assembled together hermetically by brazing, welding, screwing, riveting, crimping or any other suitable method.
  • an anti-return device 6 is formed in the second chamber 12, in particular to prevent a backflow of liquid towards the liquid line 50.
  • This device is, in the illustrated example, formed by an elongated flexible strip 60 extending between a first end 61 fixed relative to the evaporator and a second end 62 or free end arranged in the vicinity of the mouth of the inlet port 5.
  • the free end 62 comes to rest flat against the face 9a of the inner wall or opens the liquid line; the fixed end is fixed against the wall 9b perpendicular to the aforementioned face 9a.
  • the first end 61 called “fixing end” is fixed to the wall 22b by means of an electric welding spot, or as illustrated by a recess in a slot 65 provided for this purpose.
  • the flexible strip 60 is formed by a strip of stainless steel similar to the material of the body 2.
  • the thickness E of the strip is constant and can be chosen between 0.2 mm and 2 mm.
  • the width H (also called 'height' in the illustrated example) of the band is constant and can be chosen typically between 3 mm and 12 mm.
  • the strip has a width at least 8 times greater than its thickness.
  • the length L (of the strip may be chosen typically between 4 cm and 25 cm.)
  • the strip has a length at least 10 times greater than its width
  • the strip has a length at least 10 times greater than the diameter of the strip. inlet port 5.
  • the flexible strip is longer and extends over the entire length of the liquid chamber 12; it is fixed in this case to the wall 22c located opposite the wall 22a where opens the inlet port.
  • the operation of the flexible band is similar to what has been described for the case of FIG.
  • a lip-shaped projection 25 forms a tight separation between the first chamber and the second chamber.
  • the body 2 comprises lateral extensions 16 obtained integrally by forming the body 2, these lateral extensions preferably extend parallel to the plane P and are provided with holes 66.
  • the screws spring (not shown) allow to press the evaporator against the processor.
  • the bottom 21 of the body may have on its outer face a plurality of fins 28 whose function is to limit the heating of the liquid in the second chamber 12 and which also allow to re-condense gas bubbles that could have form near the porous mass and rise to the bottom 21.

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Abstract

Evaporateur (10) pour système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire, comprenant une plaque de base (1) destinée à recevoir des calories depuis un élément dissipatif, un corps (2) avec un fond (21), des parois latérales (9a-9d) et une bordure jointe à la plaque de base (1), une masse poreuse (3) formant une couche à structure capillaire, qui définit une première chambre (11) gazeuse délimitée par la plaque de base (1), les parois latérales (9a-9b) et ladite couche de masse poreuse (3) et une deuxième chambre (12) liquide délimitée par le fond (21), les parois latérales (9a-9b) et ladite couche de masse poreuse (3), la deuxième chambre (12) comprenant un orifice d'entrée (5) d'évaporateur pour une conduite tubulaire de liquide (50), comprenant un dispositif anti-retour (6) agencé dans la deuxième chambre (12) au niveau de l'orifice d'entrée (5) pour éviter un reflux de liquide par l'orifice d'entrée (5).

Description

Evaporateur à dispositif anti-retour pour boucle diphasique .
La présente invention est relative aux évaporateurs pour systèmes de transfert thermique diphasiques à pompage capillaire .
Plus particulièrement, l'invention concerne la constitution de tels évaporateurs, en particuliers ceux destinés à évacuer les calories produites généralement par un élément dissipatif, en particulier mais non exclusivement par un processeur électronique ou un dispositif de commutations électroniques quelconque.
Le développement des échanges de données par le réseau internet a entraîné un besoin énorme de puissance de calcul et de stockage dans les serveurs permettant de répondre aux besoins des utilisateurs et en particulier ces serveurs sont souvent regroupés dans des centres appelés ' data centers ' .
Les besoins de refroidissement des cartes électroniques formant les serveurs dans ces 'data centers' ne cessent de croître en raison de la densité toujours plus élevée des processeurs dans ces cartes.
Il est connu d'utiliser une circulation d'air ou d'un fluide liquide pour refroidir le processeur d'une carte serveur. La circulation d'un tel fluide requiert l'utilisation d'un ou plusieurs ventilateurs ou d'une ou plusieurs pompes qui peuvent être sujets à des pannes ou tout du moins requiert une maintenance régulière.
Il est donc préférable d'utiliser un système passif c'est-à-dire dépourvu de pompe active pour extraire les calories du processeur, ce type de système utilisant un phénomène de pompage capillaire. Un tel système est décrit dans le document US2003/051859 ; cependant la fiabilité de fonctionnement d'un tel évaporateur peut être améliorée, notamment en réponse à des sollicitations de puissance thermique présentant des variations temporelles importantes qui peuvent aller jusqu'à produire un assèchement de la structure capillaire.
De plus, la fonction condenseur fait encore appel à un ventilateur et 1 ' évaporateur placé au contact de chaque processeur est complexe à fabriquer et par conséquent le système est coûteux. En outre, il est souhaitable de diminuer l'encombrement de 1 ' évaporateur pour faciliter son intégration sur les cartes électroniques.
Il est donc apparu un besoin d'améliorer les performances et de réduire le coût de tels évaporateurs .
A cet effet, l'invention propose notamment un évaporateur pour système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire, comprenant :
- une plaque de base s 'étendant généralement parallèlement à un plan d'interface et destinée à recevoir des calories depuis un élément dissipatif,
- un corps avec un fond, des parois latérales et une bordure jointe à la plaque de base pour délimiter ainsi de façon hermétique un espace intérieur de 1 ' évaporateur,
- une masse poreuse formant une couche à structure capillaire interposée entre la plaque de base et le fond, qui définit une première chambre délimitée par la plaque de base, les parois latérales et ladite couche de masse poreuse et une deuxième chambre délimitée par le fond, les parois latérales et ladite couche de masse poreuse,
la première chambre étant destinée à héberger du fluide caloporteur en phase essentiellement gazeuse,
la deuxième chambre étant destinée à héberger du fluide caloporteur en phase essentiellement liquide, et comprend un orifice d'entrée d ' évaporateur pour une conduite tubulaire de liquide, caractérisé en ce qu'un dispositif anti-retour est agencé dans la deuxième chambre au niveau de l'orifice d'entrée pour éviter un reflux de liquide par l'orifice d'entrée, de sorte que l'on évite un assèchement de la masse poreuse en cas d'augmentation brutale de la puissance thermique à recevoir.
Grâce à ces dispositions, on évite un reflux du liquide depuis 1 ' évaporateur vers le condenseur et fiabilise ainsi le démarrage de la boucle capillaire et on améliore son comportement vis-à-vis de variations brusques de charge thermique.
On remarque qu'un tel évaporateur peut être utilisé soit dans une boucle diphasique baptisée y LHP ' (Loop Heat Pipe) avec réservoir accolé à 1 ' évaporateur soit dans une boucle diphasique baptisée y CPL ' (Capillary Pumped Loop) avec réservoir séparé de 1 ' évaporateur . Dans la configuration CPL, on évite un reflux du liquide depuis 1 ' évaporateur vers le condenseur et fiabilise ainsi le démarrage de la boucle capillaire. Dans la configuration LHP, on améliore son comportement vis-à-vis de variations brusques de charge thermique, notamment une baisse de charge abrupte. En effet, dans ce dernier cas, le besoin en surface d'échange diminuant, la température de saturation baisse rapidement au condenseur ce qui entraîne un appel de liquide qui, du fait de l'invention, est obligé de passer à travers la masse microporeuse ce qui provoque une baisse de la température de la charge thermique. Cet effet bénéfique est particulièrement recherché pour des applications cyclées en puissance.
Dans des modes de réalisation du procédé selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :
le dispositif anti-retour est formé par une bande flexible qui est disposée pour venir se plaquer contre l'une des parois latérales qui comprend (et où se trouve) la bouche de l'orifice d'entrée ; ce qui représente une solution très simple pour former un dispositif anti retour, la bande flexible venant naturellement fermer l'orifice d'entrée ; une telle bande flexible disposée à l'intérieur du réservoir forme une solution particulièrement économique, sans autre pièce (s) à rajouter ;
- pour des fonctionnements sous accélération, en particulier sous l'accélération de la pesanteur, l'orifice d'entrée sera placé plutôt au-dessus de la bande flexible et structuré de façon à permettre une évacuation d'éventuelles bulles de gaz non condensable ou de vapeur. Cette structuration peut, par exemple, être constituée par un agencement de rainures permettant, lorsque la bande flexible est en position ouverte, une arrivée nominale de liquide vers la masse microporeuse et de bulles en sens contraire ;
- la bande flexible est rappelée par sa flexibilité propre (intrinsèque) contre l'orifice d'entrée avec une précontrainte ; moyennant quoi on améliore la fiabilité du dispositif anti retour, l'entrée de liquide devant vaincre la précontrainte subie par la bande flexible et le retour de liquide étant empêché ;
- la bande est encadrée par le fond et la masse poreuse avec un jeu inférieur à 15% de sa hauteur selon une direction perpendiculaire au plan d'interface ; de sorte que la bande flexible ne peut que se déplacer parallèlement au plan d'interface, l'encadrement entre le fond et la masse poreuse fournissant un guidage très simple ;
la deuxième chambre présente une forme générale parallélépipédique, le fond et la masse poreuse encadrant parallèlement la bande flexible ; Ce qui autorise un déplacement important de bande flexible à l'intérieur de la deuxième chambre parallèlement au plan d'interface et qui représente une forme de réalisation particulièrement simple et peu coûteuse ;
- la bande est en acier inox, le corps étant aussi de préférence en acier inox ; moyennant quoi on obtient une très bonne durabilité du dispositif anti retour formé par la bande flexible ;
la bande présente une longueur au moins 10 fois supérieure à sa largeur (i.e. sa 'hauteur'), et la bande présente une largueur au moins 8 fois supérieure à son épaisseur ; de sorte qu'on obtient une bonne flexibilité dans une direction privilégiée, en particulier la flexion dans le plan d'interface P ;
- la bande présente longueur au moins 10 fois supérieure au diamètre de l'orifice d'entrée ; ce qui permet de choisir la contrainte de rappel vers l'état fermé selon une large plage de valeurs y compris des valeurs faibles, notamment en fonction de l'épaisseur et du point d'ancrage ;
- la bande présente une extrémité de fixation et à l'opposé une extrémité libre, l'extrémité de fixation étant fixée à une des parois latérales par un point de soudure ou un encastrement et l'extrémité libre étant agencée à proximité de l'orifice d'entrée ; ce qui constitue un assemblage particulièrement simple pour assembler la bande flexible à l'intérieur de la chambre liquide ;
- la paroi latérale où est fixée l'extrémité de fixation est adjacente à la paroi latérale où est agencée la bouche de l'orifice d'entrée ; de sorte que l'on obtient une flexion qui crée naturellement une précontrainte, par exemple une flexion de 90°, alors que la bande flexible a tendance à revenir vers une configuration droite.
L'invention vise aussi un système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire pour évacuer la chaleur dissipée par un élément dissipatif comprenant un évaporateur tel que décrit ci-dessus, avec les avantages mentionnés plus haut tant pour la configuration LHP que pour la configuration CPL.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints.
Sur les dessins :
- la figure 1 est une vue générale schématique d'un système de refroidissement à boucle diphasique intégrant un évaporateur selon l'invention,
- la figure 2 est une vue générale en perspective d'un dispositif de refroidissement intégrant un évaporateur selon l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un évaporateur selon l'invention, illustrant le dispositif anti retour,
- la figure 4 montre une vue de dessous du corps de 1 ' évaporateur de la figure 3,
- la figure 5 représente une variante de réalisation de la lame anti-retour,
- la Figure 6 illustre plus en détails la bande flexible .
Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires.
La figure 1 représente un exemple de dispositif de de refroidissement à boucle diphasique à circuit fermé, qui comprend un évaporateur 10, un module condenseur 8, une première conduite fluide 40 dite 'vapeur' reliant la sortie de 1 ' évaporateur à l'entrée du module condenseur, et une deuxième conduite fluide 50 dite 'liquide' reliant la sortie du module condenseur à l'entrée de 1 ' évaporateur .
Dans la configuration dite yCPL', il peut y avoir en outre un réservoir distinct (non représenté) en communication avec la conduite liquide 50.
La circulation d'un fluide de travail diphasique est assurée par l'intermédiaire de l'effet de capillarité prévalant dans une masse poreuse 3 agencée à l'intérieur de 1 ' évaporateur 10. Ladite masse poreuse 3 sépare une première chambre 11 en contact thermique avec la source chaude et destinée à contenir généralement du fluide de travail en phase gazeuse, d'une seconde chambre 12 agencée à l'opposé de la source chaude dans 1 ' évaporateur et destinée à contenir du fluide de travail principalement en phase liquide.
Comme il est connu en soi, l'énergie thermique apportée au niveau de 1 ' évaporateur transforme du liquide en vapeur ce qui permet d'absorber une énergie équivalente à la chaleur latente de vaporisation du fluide de travail. La vapeur ainsi créée est dirigée sous pression dans la première conduite 40 vers l'entrée 8a du module condenseur. À cet endroit, le fluide de travail cède ses calories soit directement dans l'environnement, soit à un autre fluide 18 liquide en conduite forcée (comme cela est représenté, entrée 18a, sortie 18b) , et par le fait le fluide de travail repasse en phase liquide après avoir cédé une énergie correspondant à la chaleur latente.
Le fluide liquide à la sortie 8b du condenseur est aspiré par l'effet de pompage procuré par la structure capillaire de la masse poreuse, la deuxième chambre et la conduite 50 étant remplies du fluide de travail en phase liquide .
De tels systèmes à pompage capillaire sont connus sous les acronymes de LHP (yLoop Heat Pipe') ou CPL ('Capillary Pumped Loop') et sont utilisés tant dans un environnement sans gravité (espace) que dans des applications terrestres avec gravité.
Il faut remarquer que la figure 1 ne mentionne pas la direction verticale et par conséquent il n'y a pas de contrainte particulière concernant l'orientation et la position respective de 1 ' évaporateur et du module condenseur pour autant que l'effet de pompage capillaire reste supérieur aux effets de la gravité compte tenu de la densité du fluide utilisé.
Selon la présente invention, on vise principalement les systèmes terrestres avec des applications à fort volume ou grande série, c'est-à-dire des nombres très important de pièces à fabriquer. Dans ce contexte, on cherche à diminuer le coût de revient et le coût de production des composants du système et en particulier de 1 ' évaporateur capillaire 10.
Une des applications visées par la présente invention concerne (non exclusivement) le refroidissement des cartes électroniques et notamment des processeurs ou CPU qui sont implantés sur des cartes électroniques dans des ordinateurs, des serveurs classiques ou bien encore des racks de cartes serveur. Sur la figure 2, il est représenté schématiquement une carte électronique 19 munie d'au moins un processeur 9. Dans la configuration illustrée, la carte est représentée en position horizontale, mais elle pourrait tout aussi bien être en position verticale.
Au contact du processeur 9 est disposé un évaporateur capillaire 10 selon l'invention configuré pour prélever des calories dissipées par le processeur 9 selon un processus de boucle capillaire diphasique déjà décrit plus haut.
Le module condenseur 8 est formé par un échangeur de chaleur de type liquide/liquide de préférence à flux croisés, connu en soi et donc non décrit en détails ici. Le fluide refroidisseur 18 sera typiquement de l'eau, à la température où elle est disponible dans le bâtiment, ou voisine de la température ambiante ou encore légèrement refroidie .
Comme représenté à la figure 3, 1 ' évaporateur comprend une plaque de base 1 destinée à venir en contact physique et thermique avec le processeur 9 selon un plan d'interface P et un corps 2 qui complémente la plaque de base pour former une enceinte aussi appelé un espace interne 20, dans lequel sont agencés les éléments de 1 ' évaporateur qui seront décrits ci-après.
La plaque de base 1 comprend un bord périphérique
14 et une face externe 17 de réception thermique destinée à recevoir des calories depuis un élément dissipatif tel que le processeur 9 en question. Du côté opposé à la face externe, c'est-à-dire du côté dit interne, sont agencés une pluralité de projections 13 sous forme de nervures s 'étendant continûment ou de façon discontinue et de préférence parallèlement les unes aux autres, de manière à créer entre ces rainures des canaux 41 destinés à convoyer la vapeur formée à cet endroit vers la sortie de vapeur 4. Les projections pourraient aussi être des pions arrangés en matrice ou en quinconce et séparés les uns des autres. La plaque de base est formée de préférence en cuivre, matériau qui présente un très bon coefficient de conduction thermique .
Au-dessus des projections 13 se trouvent une couche à structure capillaire formant une masse poreuse 3, qui dans l'exemple illustré se présente comme une couche d'épaisseur constante sans aucune forme secondaire particulière. Ainsi il suffit de découper une couche poreuse aux bonnes dimensions de largeur et longueur, il n'y a pas besoin d'usiner des canaux de vapeur à l'intérieur de cette masse poreuse.
La constitution et le procédé d'obtention d'une telle masse poreuse 3 (ou 'mèche') est connu en soi et ne sont donc pas décrits en détails ici.
Le corps 2 susmentionné de 1 ' évaporateur est agencé au-dessus de la plaque de base et de la masse poreuse, ce corps est réalisé de préférence en acier inoxydable dit 'inox'. Ce corps 2 comprend un fond 21, qui forme une paroi parallèle au plan P, des parois latérales 22 (portions latérales) qui s'étendent à partir du fond tout autour de 1 ' évaporateur en direction d'une bordure 24 qui borde le corps 2 au voisinage du plan d'interface P.
La bordure 24 et le bord périphérique 14 de la plaque de base 1 sont assemblés ensemble de façon hermétique par brasage, soudure, vissage, rivetage, sertissage ou tout autre procédé adéquat.
Avantageusement, on forme dans la deuxième chambre 12 un dispositif anti retour 6 notamment pour éviter un reflux de liquide en direction de la conduite liquide 50. Ce dispositif est dans l'exemple illustré formé par une bande flexible 60 allongée s 'étendant entre une première extrémité 61 fixée par rapport à 1 ' évaporateur et une seconde extrémité 62 ou extrémité libre agencée au voisinage de l'embouchure de l'orifice d'entrée 5.
Dans l'exemple illustré, l'extrémité libre 62 vient se plaquer au repos contre la face 9a de la paroi interne ou débouche la conduite liquide ; l'extrémité fixe est fixée contre la paroi 9b perpendiculaire à la face 9a susmentionnée .
Lorsque la masse poreuse aspire du liquide dans la deuxième chambre, cela provoque une aspiration de liquide à partir de la conduite liquide 50 et l'extrémité libre de la bande flexible s'écarte de la paroi 9a pour laisser entrer le liquide dans la deuxième chambre 12 (pour des raison de clarté, la déflection de la position défléchie 6' est exagérée) .
A l'inverse, s'il advient que la charge thermique augmente brutalement, il peut se produire une tendance à un reflux de fluide en phase gazeuse vers la chambre liquide depuis la masse poreuse ce qui peut conduire à assécher la masse poreuse. Toutefois dans le cas illustré, l'extrémité libre 62 de la bande flexible est dans ce cas plaquée contre la face 9a de la paroi latérale 22a et empêche par conséquent le liquide de refluer vers la conduite liquide 50. En conséquence de quoi la vapeur produite dans la masse poreuse est poussée exclusivement vers la première chambre et vers la conduite gazeuse 40. Un assèchement de la masse poreuse est ainsi évité. Par ailleurs, lors des baisses de puissance, avec effet de dépression au condenseur, l'appel de liquide vers le condenseur se fait à travers la masse microporeuse 3 et non pas par la ligne liquide 50 car le dispositif anti-retour 6 l'empêche.
La première extrémité 61 dite « extrémité de fixation » est fixée à la paroi 22b au moyen d'un point de soudure électrique, ou comme illustré par un encastrement dans une fente 65 prévue à cet effet.
Avantageusement, la bande flexible 60 est formée par une bande d'acier inoxydable similaire à la matière du corps 2.
Comme illustré à la figure 6, l'épaisseur E de la bande est constante et peut être choisie entre 0,2 mm et 2mm. La largeur H (aussi appelée 'hauteur' dans l'exemple illustré) de la bande est constante et peut être choisie typiquement entre 3 mm et 12 mm. Avantageuse la bande présente une largueur au moins 8 fois supérieure à son épaisseur.
La longueur L (de la bande peut être choisie typiquement entre 4 cm et 25 cm. Avantageusement, la bande présente une longueur au moins 10 fois supérieure à sa largeur. Avantageusement, la bande présente une longueur au moins 10 fois supérieure au diamètre de l'orifice d'entrée 5.
Dans une variante représentée à la figure 5, la bande flexible est plus longue et s'étend sur toute la longueur de la chambre liquide 12 ; elle est fixée dans ce cas à la paroi 22c située à l'opposé de la paroi 22a où débouche l'orifice d'entrée. Le fonctionnement de la bande flexible est similaire à ce qui a été décrit pour le cas de la figure 4.
Il faut noter qu'une projection en forme de lèvre 25 forme une séparation étanche entre la première chambre et la deuxième chambre.
En outre, le corps 2 comprend des extensions latérales 16 obtenues de forme intégralement par le formage du corps 2, ces extensions latérales s'étendent de préférence parallèlement au plan P et sont munies de trous 66. De manière connue en soi, des vis à ressort (non représentées) permettent de presser 1 ' évaporateur contre le processeur.
Optionnellement , le fond 21 du corps peut présenter sur sa face externe une pluralité d'ailettes 28 qui ont pour fonction de limiter 1 ' échauffement du liquide dans la deuxième chambre 12 et qui permettent aussi de re-condenser des bulles de gaz qui auraient pu se former près de la masse poreuse et qui remontent vers le fond 21.

Claims

REVENDICATIONS
1. Evaporateur (10) pour système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire, comprenant :
- une plaque de base (1) s 'étendant généralement parallèlement à un plan (P) d'interface et destinée à recevoir des calories depuis un élément dissipatif,
- un corps (2) avec un fond (21), des parois latérales (9a- 9d) et une bordure jointe à la plaque de base pour délimiter ainsi de façon hermétique un espace intérieur (20) de 1 'évaporateur,
- une masse poreuse (3) formant une couche à structure capillaire interposée entre la plaque de base et le fond, qui définit une première chambre (11) délimitée par la plaque de base, les parois latérales et ladite couche de masse poreuse et une deuxième chambre (12) délimitée par le fond, les parois latérales et ladite couche de masse poreuse,
la première chambre étant destinée à héberger du fluide caloporteur en phase essentiellement gazeuse,
la deuxième chambre étant destinée à héberger du fluide caloporteur en phase essentiellement liquide, et comprenant un orifice d'entrée (5) d ' évaporateur pour une conduite tubulaire de liquide (50),
caractérisé en ce que un dispositif anti-retour (6) est agencé dans la deuxième chambre (12) au niveau de l'orifice d'entrée (5) pour éviter un reflux de liquide par l'orifice d'entrée, de sorte que l'on diminue les risques d'assèchement de la masse poreuse et que l'on augmente de façon significative les performances du système lors des variations rapides de la puissance thermique.
2. Evaporateur selon la revendication 1, dans lequel le dispositif anti-retour est formé une bande flexible (6) qui est disposée pour venir se plaquer contre l'une (9a) des parois latérales qui comprend la bouche de l'orifice d 'entrée ( 5 ) .
3. Evaporateur selon la revendication 2, dans lequel la bande flexible est rappelée par sa flexibilité propre contre l'orifice d'entrée avec une précontrainte.
4. Evaporateur selon l'une des revendications 2 à 3, dans lequel la bande est encadrée par le fond (21) et la masse poreuse (3) avec un jeu inférieur à 15% de sa hauteur selon une direction perpendiculaire au plan d'interface.
5. Evaporateur selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel la deuxième chambre (12) présente une forme générale parallélépipédique, le fond et la masse poreuse encadrant parallèlement la bande flexible.
6. Evaporateur selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel la bande est en acier inox, le corps étant aussi de préférence en acier inox.
7. Evaporateur selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel la bande présente une longueur au moins 10 fois supérieure à sa largeur, et la bande présente une largueur au moins 8 fois supérieure à son épaisseur.
8. Evaporateur selon l'une des revendications 2 à 7, dans lequel la bande présente une extrémité de fixation et à l'opposé une extrémité libre, l'extrémité de fixation étant fixée à une des parois latérales par un point de soudure ou un encastrement et l'extrémité libre étant agencée à proximité de l'orifice d'entrée (5).
9. Evaporateur selon l'une des revendications 2 à 7, dans lequel la bande présente une longueur au moins 10 fois supérieure au diamètre de l'orifice d'entrée (5) .
10. Evaporateur selon la revendication 8, dans lequel la paroi latérale (9b) où est fixée l'extrémité de fixation est adjacente à paroi latérale (9a) où est agencée la bouche de l'orifice d'entrée.
11. Evaporateur selon l'une des revendications 2 à 9, soumis à la pesanteur, dans lequel l'orifice d'entrée (5) est placé au-dessus de la bande flexible (6) .
12. Système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire pour évacuer la chaleur dissipée par un élément dissipatif, comprenant un évaporateur selon l'une des revendications 1-11, et un condenseur.
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