WO2017098141A1 - Dispositif fluidique a mousse metallique - Google Patents

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WO2017098141A1
WO2017098141A1 PCT/FR2016/053235 FR2016053235W WO2017098141A1 WO 2017098141 A1 WO2017098141 A1 WO 2017098141A1 FR 2016053235 W FR2016053235 W FR 2016053235W WO 2017098141 A1 WO2017098141 A1 WO 2017098141A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
channel
metal foam
fluidic device
wall
main wall
Prior art date
Application number
PCT/FR2016/053235
Other languages
English (en)
Inventor
Vincent MATHIER
Jérôme Girard
Serge GUY
Christian Pluchon
Original Assignee
C-Tec Constellium Technology Center
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 C-Tec Constellium Technology Center filed Critical C-Tec Constellium Technology Center
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Publication of WO2017098141A1 publication Critical patent/WO2017098141A1/fr

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    • 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
    • F28F13/003—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by using permeable mass, perforated or porous materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/08—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/12—Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels

Definitions

  • the field of the invention is that of fluidic devices comprising a channel formed in a housing, in which there is a porous medium with open pores in a metallic material called metal foam.
  • the invention applies for example as a heat exchanger ensuring the heat transfer between a component disposed against a wall of the housing, for example an electronic power component or a component of the automotive or nuclear field, and a circulating heat transfer fluid in the canal and passing through the metal foam.
  • the invention can also be applied to the field of fluid filtration.
  • Heat exchangers also known as heat sinks
  • the housing may then comprise a main wall, called the heat exchange wall, whose inner face participates in delimiting the channel and the outer face forms a support for receiving a component to be cooled, for example an electronic component.
  • a heat transfer fluid liquid or gaseous, flows into the channel to receive and then remove the heat produced by the electronic component.
  • a porous medium with open pores forming a three-dimensional fluidic network may be arranged in the channel so as to be in contact with the exchange wall.
  • the document WO2004 / 079792 describes an example of such a fluidic heat exchanger device.
  • a channel is delimited in part by a housing and comprises a porous medium with open pores able to be traversed by a coolant.
  • a main exchange wall thermal housing has an outer face against which is disposed a component to be cooled, and an inner face in contact with this porous medium.
  • the porous medium is a regular network of balls assembled to each other, fixed to the internal faces of the channel via a solder material.
  • the aim of the invention is to remedy at least in part the drawbacks of the prior art, and more particularly to propose a fluidic device comprising a channel in which is located a porous open-pored material having improved mechanical strength and, where appropriate, an improved overall exchange coefficient.
  • the object of the invention is a fluidic device, comprising:
  • a housing comprising a channel defined by walls, including a first main wall, the channel extending between two orifices, said inlet and outlet;
  • a porous medium with open pores of a metal material said metal foam, located in the channel between said inlet and outlet ports.
  • the metal foam and said first main wall are made in one piece and in the same material, and the metal foam has a random spatial distribution of the pores.
  • the metal foam has a specific surface area of between 200 m 2 / m 3 and 1500 m 2 / m 3, a porosity of between 65% and 85%, and an average pore size of between 2 mm and 8 mm.
  • the cross section of the inlet and outlet ports may have a smaller area than the cross section of the channel.
  • the housing may comprise a second main wall opposite the first main wall, partially delimiting the channel, the metal foam and said second main wall being further made in one piece and the same material.
  • the housing may include a second main wall opposite the first main wall partially defining the channel, said second main wall being an insert wall sealingly attached to a side wall of the housing.
  • the housing may have a side wall extending between the first main wall and a second main wall opposite the first wall, and delimiting the channel circumferentially, the metal foam and said side wall being further integrally formed. and in the same material.
  • the inlet and outlet ports may open into hollow chambers of the channel located on either side of the metal foam along a longitudinal axis of the channel.
  • the fluidic device may comprise:
  • a second metal foam made in one piece with a second main wall opposite the first wall, and in the same material
  • said first and second metal foams being assembled to one another via a fluidic collector comprising at least one collection duct; extending between two inlet ends opening at said first and second metal foams and an outlet end opening at the outlet.
  • the first and second main walls, the first and second metal foams and the collector may have a substantially circular profile, the main walls and the collector being sealingly connected to a circumferential side wall of the housing.
  • the inlet orifice may have a diameter adapted to allow the introduction of a fluid on either side of the manifold so as to be able to flow into the first and second metal foams before reaching the inlet ends collection conduit.
  • the invention also relates to a method for producing a fluidic device according to any one of the preceding characteristics, in which the metal foam and the first main wall are produced by molding, during the same casting step of a metal material in a mold, during which there is an infiltration, by said metallic material, of a porous destructible preform located in a cavity of the mold, said casting step being carried out by the application of a pressing force to the surface of said metal material so as to cause it to rise into the mold and infiltrate into the preform, said preform being made of salt paste or silicone-based.
  • the shape of the porous preform can be parallelepipedic, circular or any other geometric form. It may include sidewalls and upper and lower walls.
  • the preform may be arranged in an impression of a mold and kept at a distance from an inner face of a mold clevis, the space separating said inner face and the preform being intended to form the first main wall.
  • the preform can be held in a hollow section; preferably, at least one side wall of said preform is in contact with at least one inner face of walls of said hollow section.
  • Said hollow section in which the preform is disposed can be inserted into an impression of a mold.
  • At least one lower or upper face of the preform is kept at a distance from an inner face of a clevis of the mold.
  • the portions of the profile are partially or completely melted.
  • the fluidic device has at least one wall of the metal foam in contact with a wall of the profile.
  • At least a portion of the walls of the profile and a portion of the metal foam are in metallurgical continuity due to the mixture of the injected liquid metal to manufacture the foam with the molten metal of the profile.
  • the preform may be interposed longitudinally between two cores, said cores being intended to form hollow chambers of the channel.
  • Each core may comprise a second portion intended to form an inlet or outlet orifice, said second portion extending from a first portion intended to form one of said hollow chambers of the channel.
  • FIG. 1a is a diagrammatic view in longitudinal section and in perspective of a fluidic device according to a first embodiment, in which the metal foam is made in one piece and in the same material with the walls of the housing which delimit transversely the canal;
  • Figure 1b is a schematic bottom view of the fluidic device shown in Figure 1a; and
  • Figure 1 illustrates different surface area values of the metal foam for different porosity and average pore size values;
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of a fluidic device according to a second embodiment, in which one of the main walls delimiting the channel forms an attached cover;
  • Figures 4a to 4f show steps of a method of producing the fluidic device according to the second embodiment
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of a fluidic device according to a third embodiment, in which two metal foams, each made in one piece and in the same material with main walls, are assembled one to the other by a fluidic collector.
  • Figure 6a is a schematic bottom view according to a fourth embodiment, wherein the side walls of the fluidic device comprises a profile.
  • Figure 6b corresponds to the sectional view along the axis A-A of the device according to the fourth embodiment.
  • Figures 7a and 7e show the steps of a method of producing the device according to the fourth embodiment.
  • the invention relates to a fluidic device comprising a channel in which a fluid is intended to flow, the channel being delimited by the walls of a housing. Inside the channel is a porous medium with open pores able to be traversed by the fluid.
  • the porous medium is called thereafter metalfoam ⁇ metallicfoam, in English).
  • the metal foam and at least a first main wall of the housing partially delimiting the channel are made of the same metallic material and in one piece.
  • the fluidic device can find various applications, for example in the field of heat exchangers or in that of filtration.
  • the fluidic device forms a heat exchanger adapted to dissipate the heat produced by a component, for example an electronic power component, the latter being disposed against a wall of the fluidic device .
  • a component for example an electronic power component
  • Other types of components can be cooled by such a heat exchanger, for example automotive or nuclear components.
  • the heat transfer fluid intended to flow in the channel 3 of the fluidic device may be liquid or gaseous.
  • the fluidic device comprises, located inside the channel, a metal foam in the form of a porous solid medium with open pores.
  • This porous medium thus forms a three-dimensional network of interconnected pores.
  • the metal foam is made of a solid metal material such as, for example, aluminum or an aluminum alloy, for example an alloy of the type AISi7MgO, 6, but any other type of molding alloy having good flowability can be used.
  • Other materials can also be used such as, for example, alloys of zinc, copper, cast iron, steel, etc.
  • the metal foam has a pore network spatially distributed in a random manner.
  • random spatial distribution is meant that the mutual arrangement of the pores is substantially aperiodic and has substantially no preferred direction: the orientation of the pores in the matrix is random.
  • Such a pore network thus differs from regular networks of beads such as that described in the example of the prior art mentioned above.
  • the metal foam and at least a first main wall of the housing defining at least part of the channel are made of the same metallic material and in one piece.
  • the metal foam and the first main wall are made monolithically, that is to say in one piece, the mechanical connection being ensured by the metallurgical continuity of the metallic material forming these two pieces, cast together in one and the same operation. It is thus understood that, being made in one piece and in the same metallic material, the metal foam is assembled to the first main wall without the presence of an intermediate fixing layer, such as a layer of a material brazing or welding, located at the interface between the metal foam and the first main wall.
  • the metal foam may have a porosity greater than or equal to 10%, for example between 60% and 90%, and preferably between 65% and 85%. Porosity is understood as the ratio of the cumulative volume of pores to the total volume of the metal foam.
  • the pores may have a mean millimeter size.
  • the average size of the pores can be, for example, between 1 mm and 10 mm, or even between 2 mm and 8 mm.
  • the average size is understood as the average, for example arithmetic, of the average maximum dimension and the average minimum pore size.
  • the average maximum dimension is the average of the maximum pore size and the average minimum dimension is the average of the minimum pore size.
  • the pores have a similar size.
  • the similar term means that the pores have a dimension of +/- 10% of a value.
  • this value can be between 1 mm and 10 mm, and even more preferably between 2 mm and 8 mm.
  • the metal foam may have a specific surface area of between 200m 2 / m 3 and 1500m 2 / m 3 .
  • Specific surface area means the actual surface area of the pore area, that is, the developed area of the foam, over the total volume of the metal foam. It can be estimated conventionally by X-ray tomography.
  • the metal foam may be made of aluminum, by a molding process comprising a casting step during which an infiltration of a destructible preform takes place.
  • This preform can be made of a material based on salt dough, as described for example in EP2118328, or even a silicone-based material as described for example in FR2992660.
  • the first main wall 10 is preferably a heat exchange wall whose outer face has a surface adapted to receive a component to be cooled.
  • external face we mean a face of the wall opposite to the inner face facing the channel 3.
  • Figure la is a schematic longitudinal sectional view and perspective of a fluidic device 1 according to a first embodiment and Figure lb is a schematic bottom view in longitudinal section of the fluidic device 1 shown in Figure la.
  • the fluidic device 1 comprises a channel 3 which extends along a substantially rectilinear longitudinal axis. Furthermore, the metal foam 30 is made in one piece and in the same material with the main walls 10, 20 delimiting transversely the channel 3.
  • the length of the channel 3 is defined as the distance, here along the X axis, between two inlet ports 4A and 4B outlet; the width of the channel 3 as the distance, along the Y axis, between two internal faces opposite to each other of a side wall 40 of the channel 3; and the height of the channel 3 as the distance, along the Z axis, between the two inner faces 11, 21 of the main walls 10, 20.
  • the fluidic device 1 comprises a housing 2 formed of walls whose internal faces delimit a channel 3.
  • the housing 2 is here formed of two main walls 10, 20 opposite one another along the axis Z, and of a side wall 40 circumferentially connecting the main walls 10, 20 to one another, that is to say along the perimeter of the channel 3.
  • first and second main walls 10, 20 are substantially planar and parallel to each other. They each have an inner face 11, 21 and an outer face 12, 22, opposite to one another, substantially flat. They are connected to each other in a sealed manner by the side wall 40.
  • the first main wall 10 forms a heat exchange wall with a component to be cooled, and has a surface of its outer face. 12 substantially flat in order to receive the component to be cooled.
  • the housing 2 here has a profile in the plane (X, Y) of rectangular shape, but other shapes are possible, for example circular or oval, or square or polygonal.
  • the channel 3 here has a general shape of flattened parallelepiped. In other words, the channel has a height less than its width and its length, thus making it possible to optimize the exchange surface between the coolant and the first main heat exchange wall.
  • the housing 2 has through holes which open into the channel 3, and form inlet ports 4A and 4B outlet. They are arranged along the longitudinal axis of the channel 3 so as to allow the introduction and evacuation of the coolant in the channel 3.
  • the inlet ports 4A and 4B exit are formed through the same second main wall 20, and are intended to receive fluidic conduit ends (not shown) for supply and discharge of the coolant.
  • the orifices 4A, 4B may be disposed at the level of the first main wall 10, or even at the side wall 40.
  • the cross section of the orifices 4A, 4B has a surface area smaller than that of a section right of channel 3. By cross section, is meant a section along a plane orthogonal to the longitudinal axis of the element in question.
  • the fluidic device 1 further comprises a metal foam 30, located in the channel 3 between the inlet ports 4A and 4B outlet. It is in the form of a porous block with open pores spatially distributed in a random manner, which here fills a part of the channel 3. More precisely, the metal foam 30 fills the surface of a cross section of the channel 3, in the plane (Y, Z), and extends longitudinally along the axis X on a portion of the channel 3. Thus, it is in contact with a portion of the internal faces of the main walls 10, 20 and lateral 40, so that the heat transfer fluid, flowing in the channel 3 between the inlet 4A and outlet 4B ports, necessarily passes through the metal foam 30.
  • a metal foam 30 located in the channel 3 between the inlet ports 4A and 4B outlet. It is in the form of a porous block with open pores spatially distributed in a random manner, which here fills a part of the channel 3. More precisely, the metal foam 30 fills the surface of a cross section of the channel 3, in the plane (Y, Z),
  • the metal foam 30 is made of the same material and in one piece with the first main wall 10, and, in this example, with the second main wall 20 and the side wall 40.
  • the metal foam 30 and the walls main 10, 20 and lateral 40 of the housing 2 form a single piece, monolithic, made of the same material. It is therefore understood that the metal foam 30 is not fixed to said walls by an intermediate fixing layer such as a layer of a solder or solder material but that the mechanical connection is provided by a metallurgical continuity formed by the material metal foam and said walls, cast together in one and the same operation.
  • the metal foam 30 is located between two hollow chambers, called inlet 5A and outlet 5B, and therefore does not extend over the entire length of the channel 3.
  • the inlet chamber 5A in which opens the inlet orifice 4A is delimited by the walls of the housing 2 and an upstream free face 31A of the metal foam 30.
  • the outlet chamber 5B, into which the outlet orifice 4B opens, is delimited by the walls of the housing 2 and a so-called free face 31B of the metal foam 30.
  • the thermal transfer properties of the fluidic device 1 are improved.
  • the mechanical strength of the fluidic device 1 is also improved, which makes it possible to preserve the fluidic and thermal properties of the device 1 during operation.
  • the fixing of the metal foam 30 to the first main wall 10 is ensured by the metallurgical continuity between these two parts and is therefore not performed by means of a spacer layer of a solder or solder material, such a material being capable of having a thermal conductivity lower than that of the metallic material of the first main wall 10 and of the metal foam 30.
  • the thermal transfer properties of the fluidic device 1, and in particular the overall exchange coefficient, are thus improved.
  • global exchange coefficient h g or overall heat transfer coefficient, is meant the coefficient quantifying the flow of energy through the first main wall 10 and the metal foam 30, from the component to be cooled to the heat transfer fluid.
  • the heat transfer fluid then flows into the metal foam 30 without having a preferred flow direction, which tends to improve the heat transfer between the fluidic device 1 and the heat transfer fluid.
  • the mechanical strength of the fluidic device 1 is improved insofar as the absence of an intermediate layer of solder or solder between the metal foam 30 and the first main wall 10, and here between the foam and the other walls of the housing , leads to a better mechanical strength vis-à-vis a possible concentration of mechanical stresses at the interface between the metal foam 30 and the walls of the housing.
  • the operating conditions of the fluidic device 1 in operation in particular in pressure and / or temperature, can generate mechanical stresses coming to focus at the interface between the metal foam 30 and the wall or walls in contact therewith.
  • the concentration of the stresses can cause a detachment of the wall from the metal foam 30. This detachment can then cause a degradation of the fluid flow properties in the metal foam 30, and, where appropriate, a degradation of the thermal transfer properties.
  • the metal foam 30 advantageously has a porosity ranging from about 65% to 85% and an average pore size of between about 2mm and 8mm. It is advantageous that the pores have a similar dimension of between 2 mm and 8 mm.
  • the inventors have indeed found that such a metal foam 30 with open pores and spatially distributed randomly then has a particularly large specific surface area, ranging from 200m 2 / m 3 to 1500m 2 / m 3 approximately, which greatly increases the Thermal transfer properties of the fluidic device 1.
  • Fig. 1a illustrates the specific surface area values of the metal foam as a function of the porosity and the average pore size, these specific surface area values being obtained from electron tomography measurements. X-rays.
  • the specific surface area Sp increases strongly, ranging from about 200 m 2 / m 3 for an average pore size of about 8 mm. at about 1500m 2 / m 3 for an average pore size of about 2mm.
  • the specific surface area of the metal foam 30 is of the order of 630m 2 / m 3 for a porosity of about 73.9% and an average pore size of about 5mm.
  • the specific surface area can increase to 1490 m 2 / m 3 for a porosity of about 72.4% and an average pore size of about 2 mm.
  • the presence in the channel 3 of a metal foam 30 having these high specific surface area values makes it possible to substantially increase the heat transfer properties of the fluidic device 1.
  • FIGS. 2a to 2e illustrate various steps of an exemplary method of producing the fluidic device 1 according to the first embodiment as illustrated in FIG.
  • the fluidic device 1 is made here by a "low pressure" type molding technique comprising a step of infiltrating a preform simultaneously with the casting of the liquid metal.
  • Low pressure type molding is a technique in which a pressure force, here an overpressure, is applied to the surface of a liquid metal located in an oven feeding the mold, so as to cause the rise of the liquid metal in the mold and its infiltration into the preform.
  • a vacuum can be applied in the mold so that the liquid metal undergoes a so-called suction vacuum force causing the filling of the mold and its infiltration into the preform.
  • the pressure values used are adapted so that the liquid metal infiltrates the interstices of the preform so as ultimately to obtain the desired metal foam.
  • molding techniques applied to a preform in salt paste or a silicone-based material, are suitable for producing open-space spatially distributed metal foam in a random manner and capable of reaching high specific surface area values.
  • the inventors have found that other molding techniques, for example gravity molding, do not make it possible to produce metal foams having these characteristics.
  • a first step (FIG. 2a) a part 50 formed of a preform 51 is assembled with two cores 53A, 53B disposed on either side of the preform 51.
  • the two cores 53A, 53B are in contact with each other.
  • two transverse faces 52A, 52B opposite to each other of the preform 51 called upstream and downstream faces.
  • Each core 53A, 53B here comprises a first portion 54A, 54B intended to form the inlet chamber 5A or 5B outlet, which extends along the longitudinal axis of the preform 51. It has here a thickness along the axis Z substantially equal to that of the preform 51, and a profile in the plane (X, Y) substantially triangular rounded apex.
  • Each core 53A, 53B further includes a second portion 55A, 55B, for forming the inlet 4A or outlet 4B, which extends from the first portion 54A, 54B substantially orthogonal to the main plane (X, Y) of the preform 51.
  • each core 53A, 53B has a third portion 56A, 56B, intended to maintain the piece 50 in a so-called suspended position vis-à-vis the internal faces of a mold 60, which extends in the extension of the second portion 55A, 55B.
  • the cores 53A, 53B are destructible and can be made of sand typically agglomerated with resin.
  • the preform 51 is intended to form the metal foam 30. It may be made from salt dough according to the process described in EP2118328 or from a silicone-based material according to the method described in the document FR2992660. As an illustration, the preform 51 is made of silicone elastomer according to the process described in the document FR2992660. First of all, separate elements of silicone elastomer of millimeter size are produced, for example by extrusion and then cutting. These elements are then agglomerated using a binder and the resulting assembly is polymerized in a core box whose imprint defines the desired final dimensions of the preform 51. After removal and then removal of any solvents, we obtain a Porous preform 51 with interconnected interstices made of silicone elastomer.
  • a mold 60 for example a sand mold, and more specifically in the mold cavity 65 whose dimensions define the desired dimensions of the casing 2.
  • mold 60 is formed of two parts 61, 63, said screeds, which, when in contact, delimit together the impression 65, namely the internal cavity of the mold 60 in which is placed the piece 50.
  • the mold 60 further comprises a supply duct 66 for the introduction of the liquid metal into the cavity 65.
  • the upper yoke 63 has an inner face 64 which partially surrounds the part 50 without contacting it.
  • the space separating the upper clevis 63 from the part 50 is intended to form the first main wall 10 and a part of the side wall 40.
  • the lower clevis 61 has an inner face 62 which partially surrounds the piece 50, the space separating the yoke 61 from the part 50 is intended to form the second main wall 20 and a part of the side wall 40. This space is traversed by the second parts 55A, 55B of the cores intended to form the orifices 4A input and 4B output.
  • the part 50 and more particularly the preform 51 and the first parts 54A, 54B of the cores, are kept at a distance from the internal faces of the mold 60 by the engagement of the third parts 56A, 56B of the cores in housings provided in the inner face 62 of the lower yoke 61.
  • the part 50 is preheated to a temperature which may be of the order of 80 ° C. to 250 ° C., for example approximately 150 ° C.
  • the liquid metal is cast in the cavity 65 of the mold 60 according to the so-called "low pressure" process.
  • the most commonly used alloy is of the type AISi7Mg0.6, but any other type of casting alloy having good flowability can be used.
  • the temperature may be of the order of 800 ° C to 820 ° C.
  • the liquid metal thus fills the supply duct 66 and fills the cavity 65 of the mold 60 placed under an overpressure, typically from 700 mbar to 1.5 bar.
  • the metal also infiltrates the interstices of the preform 51 of silicone elastomer, and also surrounds the preform 51 and the cores 53A, 53B.
  • a fourth step after solidification and cooling, the mold 60 is unhooked and the molded part 57 is removed. After deburring and machining the workpiece molded 57, and removal of the remaining powder of silica, the fluidic device 1 shown in FIG. 2e is obtained.
  • the metal foam 30 has a length of 105 mm, a width of 50 mm for a thickness of 10 mm to 35 mm. It has a porosity of the order of 70% to 75% open pores and spatially distributed randomly.
  • the first main wall 10 has a thickness of about 2 mm and the second main wall 20 a thickness of about 5 mm.
  • the inlet ports 4A and 4B exit may have a diameter of about 5 to 15mm.
  • the specific surface of the metal foam can be adjusted according to the average pore size and the porosity, these parameters being adapted during the manufacture of the preform, in particular via the dimensions of the agglomerated elements of silicone elastomer.
  • the embodiment of the fluidic device 1 can be carried out by a "low pressure" type molding technique comprising the infiltration of a preform based on salt dough previously obtained according to the process described in document EP2118328.
  • the method comprises steps that are identical or similar to those described with reference to FIGS. 2a to 2e.
  • the preform 51 is made by mixing ground salt particles, a thermo-degradable organic binder, and a wetting agent.
  • a preform 51 made of porous salt paste with interconnected interstices is thus obtained.
  • a step of removing the wetting agent, decomposing the binder and curing the preform 51 can be carried out, in particular by a step of baking the preform 51 at a temperature of the order of 100 ° C, followed by a pyrolysis step at a temperature of the order of 500 ° C.
  • the part 50 formed of the preform 51 and the cores 53A, 53B are placed in the cavity 65 of the mold 60, this part 50 preferably being preheated to a temperature of, for example, 600.degree. ° C.
  • the liquid metal is cast at a temperature of the order of 750 ° C. with an overpressure typically of 700 mbar at 1.5 bar.
  • the most commonly used alloy is of the type AISi7Mg0.6, but any other type of casting alloy having good flowability can be used.
  • the liquid metal infiltrates the interconnected interstices of the preform 51 so as to form the metal foam 30.
  • a fourth step after solidification and cooling, the molded part 57 is removed from the mold cavity 60 and the salt of the preform 51 is removed by a solvent.
  • the fluidic device 1 illustrated in FIG. 2e is obtained.
  • the metal foam forms a network of open pores spatially distributed in a random manner.
  • the specific surface area of the metal foam can be adjusted according to the average pore size and the porosity, these parameters being adapted during the manufacture of the preform, in particular via the dimensions of the agglomerated particles of salt dough.
  • the method of producing the fluidic device 1 is simplified insofar as the realization of the metal foam 30 and the first main wall 10 in one piece and in the same material is performed in a single step of casting of the liquid metal, this step allowing the molding of the housing 2 and the infiltration of the preform 51. This avoids any machining step of the housing to form the channel 3, as well as any step of fixing the metal foam 30 to the first main wall 10 via a fixing layer, for example a solder layer.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of a fluidic device 1 to metal foam 30 according to a second embodiment.
  • the fluidic device 1 differs from the fluidic device 1 described above with reference to FIGS. 1a and 1b in that the metal foam 30 is made in one piece and in one and the same material with the first main wall 10 and the side wall 40, the second main wall 20 being an attached wall forming a cover for the channel 3.
  • the housing 2 comprises a channel 3 delimited transversely by the first main wall 10 and the side wall 40.
  • the walls are here made in one piece and in the same material.
  • the metal foam 30 is located in the channel 3 between the two inlet chambers 5A and 5B outlet.
  • the housing 2 comprises a second main wall 20 which is in the form of an added wall whose attachment to the side wall 40 of the housing 2 allows the channel 3 to be closed in a sealed manner. It has two through-holes, called inlet 4A and outlet 4B, which open respectively into the inlet chamber 5A and the outlet chamber 5B.
  • the inlet and outlet openings 4A and 4B can be made, not at the level of the attached cover, but at the level of the side wall 40 or even at the level of the first main wall 10.
  • the attached cover 20 can be fixed to the side wall 40 of the housing 2 at its upper contact face 43, and preferably to the metal foam 30.
  • the attachment can be made sealingly by an intermediate layer of a solder material (not shown).
  • a solder material not shown
  • FIGS. 4a to 4f illustrate steps of an exemplary method for producing the fluidic device 1 according to the second embodiment.
  • a porous preform 51 having interconnected interstices made of a salt-paste or silicone-elastomer material is produced, in the same or a similar manner to the processes described above. Moreover, it is not intended here to assemble cores to the preform 51 as in the part 50 described with reference to Figure 2a.
  • a mold 60 with two yokes 61, 63 whose lower yoke 61 is similar or identical to the lower yoke of Figures 2b and 2c.
  • the upper yoke 63 comprises cores 53A, 53B in the form of protruding portions vis-à-vis an inner face 64, these cores being intended to form the inlet chambers 5A and 5B output.
  • These cores are mounted movable in translation vis-à-vis the upper yoke 63 so as to form jaws of a vise to maintain the preform 51 in a so-called suspended position during molding.
  • the jaws are spaced from one another by a distance substantially equal to the length of the preform 51, and are disposed on either side of a surface 64c of the inner face 64 of the yoke upper 63, the latter being intended to be in contact with the preform 51.
  • the preform 51 is placed in contact with the contact surface 64c, so that the upstream and downstream faces of the preform 51 are in respective contact with the jaws. These exert a holding force on the preform 51 to maintain it in position, without causing compression of the preform 51 may change its porosity.
  • a third step (FIG. 4c) the mold 60 is closed by bringing the upper and lower tops 61 into contact with one another.
  • the preform 51 is held in a suspended position with respect to the inner face 62 of the lower clevis 61, this space being intended to form in particular the first main wall 10.
  • a lateral space between the jaws and the inner face 62 of the lower clevis 61 is intended for the formation of the side wall 40 of the housing 2.
  • the liquid metal is then poured through the supply duct 66, so that the metal fills the mold cavity 60 and therefore the space separating the internal face 62 of the preform 51 from the one hand , and bits on the other hand.
  • the metal infiltrates the interstices of the preform 51.
  • This step is similar or identical to that described above with reference to FIG. 2b.
  • the second main wall 20 of the housing 2 is not made during this step.
  • the housing 2 thus comprises the metal foam 30 made in one piece and in the same material with the first main wall 10 and with the side wall 40 defining the channel 3.
  • the remaining silica or salt paste is then removed.
  • This step is simplified insofar as the channel 3 does not have a closed cross section and delimited by the different walls of the housing 2. It has indeed access to the channel 3 and the metal foam 30 by an opening formed by the absence of the second main wall 20.
  • a layer of a solder material is deposited in the area of contact between the attached cover 20 and the side wall 40, as well as in the zone of contact between the attached cover 20 and the free face of the metal foam 30.
  • the channel 3 is closed with the aid of the attached cover and the fluidic device 1 thus obtained is placed in a brazing furnace.
  • Figure 5 is an exploded perspective view of a fluidic device 1 according to the third embodiment.
  • the fluidic device 1 is formed of a housing 2 of substantially circular transverse profile. It comprises a side wall 40 delimiting the channel 3 in the plane (X, Y) and two opposite main walls 10 delimiting the channel 3 along the Z axis.
  • the two main walls 10, 20 are attached to the side wall 40 in a sealed manner by a solder layer (not shown).
  • at least one of the main walls 10, 20 can be made in one piece and in the same material with the side wall 40.
  • Each main wall 10, 20 is made in one piece and in the same material with a metal foam 30-1, 30-2.
  • the metal foams 30-1, 30-2 may have a diameter equal to or smaller than that of the main walls 10, 20.
  • the two main walls 10, 20 provided with the respective metal foams 30-1, 30-2 are assembled to one another along the Z axis via a fluidic collector 6 interposed between the two metal foams 30 -1, 30-2.
  • the collector 6 has a solid volume of cylindrical shape, of a diameter substantially equal to that of the main walls 10, 20, and is sealingly assembled to the side wall 40.
  • the collector 6 comprises a collection duct which extends between two input ends 7A and an output end 7B.
  • the inlet ends 7A open out one and the other on the opposite upper and lower faces of the collector 6, and thus face the metal foams 30-1, 30-2, and are preferably positioned at the center of the collector 6.
  • the outlet end 7B opens on the circumferential face of the collector 6.
  • the channel 3 is formed of a lower portion delimited between the first main wall 10 and the lower face of the collector 6 and containing the metal foam 30-1, and an upper portion delimited between the second main wall 20 and the upper face. of the collector 6 and containing the metal foam 30-2.
  • the channel 3 continues with the collection duct which connects the two parts of the channel 3 to the outlet end 7B.
  • the housing 2 further comprises an inlet port 4A and an outlet port 4B of the channel 3 positioned at the side wall 40 of the housing 2, intended to allow the supply of fluid in the two lower and upper parts of the channel 3, and the evacuation of the fluid from the outlet end 7B of the collection duct.
  • the inlet orifice 4A has a transverse dimension adapted to allow the introduction of the fluid into both parts of the channel 3, so that the fluid flows through the two metal foams 30-1, 30 -2 and receives the heat from one or the other or both main walls 10, 20. The fluid then flows into the collection duct from the inlet ends 7A to the outlet end 7B.
  • the outlet orifice 4B is positioned facing the outlet end 7B of the collection duct, so that the fluid can be directly evacuated without circulating again in the lower and upper portions of the channel 3.
  • each main wall 10, 20 can be made in one piece and in a same material with the corresponding metal foam 30-1, 30-2, by a low-pressure molding process with an infiltration step of a preform 51 in salt paste or silicone-based, this infiltration step being concomitant with the casting casting.
  • the walls 10, 20, 40 and the collector 6 can be assembled by soldering.
  • a device obtained according to the invention, and preferably by the third embodiment described above, makes it possible to obtain a thermal performance similar to the known products, with a lower pressure loss, by a factor at least greater than 2 preferably, and even more preferably 7. Such a device thus makes it possible, for example, to use less powerful fluid circulation pumps.
  • Figure 6a is a schematic view from below of a metal foam fluidic device according to a fourth embodiment.
  • the fluidic device 1 differs from the fluidic devices 1 described above in FIGS. 1a, 1b and 3 in that the metal foam 30 is made in one piece and in the same material with the first main wall 10 (Fig 6b).
  • the side wall 40 comprises the walls of a hollow profile 70.
  • the metal foam 30 is made in one piece and in one and the same material with the second main wall 20 (FIG. 6b), opposite to the main wall 10.
  • This fourth embodiment differs from the previously described embodiments in that the preform 51 intended to form the metal foam 30 is held in a hollow profile 70.
  • the use of a profile 70 facilitates the handling of the preform and its positioning in the mold 60. It may be advantageous if the dimensions of the profile 70 are adapted so that the outer faces of the walls of the profile are in contact with the side walls of the mold cavity 65 and constitute the side faces of the housing 2.
  • the thickness of the walls of the profile is between 1 mm and 5 mm, or even more preferably between 2 mm and 3 mm.
  • FIGS. 7a to 7e illustrate steps of an exemplary method for producing the fluidic device 1 according to the fourth embodiment.
  • a piece 80 is formed consisting of a hollow profile 70 'and a part 50'.
  • the piece 50 ' consists of a preform 5 assembled with two cores 53A', 53B 'disposed on either side of the preform 5 as in the first embodiment (FIG. 7a).
  • the preform 5 is intended to form the metal foam 30. It can be obtained from salt paste or silicone.
  • the piece 50 ' fits into a hollow profile chamber 70'.
  • the hollow section 70 ' has a single chamber.
  • the lateral faces of the preform 5 are in contact with the inner walls of the chamber of the profile 70 '.
  • the piece 80 is then placed in the footprint 65 'of the mold 60'.
  • the mold 60 ' consists of two parts 61' and 66 '.
  • This piece 80 is preferably preheated (FIG. 7c).
  • the liquid metal is cast in the mold cavity 60 '.
  • the mold 60 ' is unhooked and the molded part 57' is removed. After deburring and machining of the molded part 57 ', and removal of the residues of the preform 5, the fluidic device 1 shown in FIG. 7e is obtained.
  • This fourth embodiment allows the realization of a housing 2 whose two main walls and the metal foam 30 are obtained in one piece if the cores 55A, 55B, 56A and 56B are used as described in the first embodiment of FIG. embodiment or the realization of a housing 2 of which only one main wall and the metal foam 30 are obtained in one piece as described in the second embodiment
  • the fluidic device may not include inlet chambers located on either side of the metal foam.
  • the inlet and outlet ports pass through a wall of the housing and then open directly at the level of the metal foam.
  • the fluidic device may comprise structures located at the outer faces of the housing walls, these structures may improve the heat dissipation emitted by the component to be cooled. These structures may, for illustrative purposes, be in the form of cooling fins.
  • the fluidic device may be subjected to a heat treatment to improve its mechanical strength and / or its thermal conductivity.
  • This heat treatment step can be performed after the demolding, before or after the machining of the molded part. It may for example consist of a solution treatment and tempering, optionally followed by an income.
  • the fluidic device may be subjected to a surface treatment in order to improve its resistance to corrosion or its resistance to abrasion or any other property necessary for the use of the device.

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Abstract

L'invention porte sur un dispositif fluidique (1), comportant un boîtier (2) comprenant un canal (3) délimité par des parois, dont une première paroi principale (10), le canal (3) s'étendant entre deux orifices, dits d'entrée (4A) et de sortie (4B), et un milieu poreux à pores ouverts en un matériau métallique, dit mousse métallique (30), situé dans le canal (3) entre lesdits orifices d'entrée (4A) et de sortie (4B). La mousse métallique (30) et ladite première paroi principale (10) sont réalisées d'un seul tenant et en un même matériau, et la mousse métallique (30) présente une distribution spatiale aléatoire des pores.

Description

DISPOSITIF FLUIDIQUE A MOUSSE METALLIQUE
DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine de l'invention est celui des dispositifs fluidiques comportant un canal formé dans un boîtier, dans lequel se situe un milieu poreux à pores ouverts en un matériau métallique appelé mousse métallique. L'invention s'applique par exemple en tant qu'échangeur de chaleur assurant le transfert thermique entre un composant disposé contre une paroi du boîtier, par exemple un composant électronique de puissance ou un composant du domaine automobile ou nucléaire, et un fluide caloporteur circulant dans le canal et traversant la mousse métallique. L'invention peut également s'appliquer au domaine de la filtration de fluide.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
On connaît des échangeurs de chaleur, également appelés dissipateurs thermiques, se présentant sous la forme d'un dispositif fluidique comportant un canal, formé dans un boîtier, qui s'étend entre des orifices d'entrée et de sortie. Le boîtier peut alors comporter une paroi principale, dite paroi d'échange thermique, dont la face interne participe à délimiter le canal et la face externe forme un support pour recevoir un composant à refroidir, par exemple un composant électronique. Enfin, il est prévu qu'un fluide caloporteur, liquide ou gazeux, s'écoule dans le canal pour recevoir puis évacuer la chaleur produite par le composant électronique.
Dans le but d'augmenter la surface d'échange thermique avec le fluide caloporteur, un milieu poreux à pores ouverts formant un réseau fluidique tridimensionnel peut être disposé dans le canal de manière à être en contact avec la paroi d'échange. Le document WO2004/079792 décrit un exemple d'un tel dispositif fluidique échangeur de chaleur. Un canal est délimité en partie par un boîtier et comporte un milieu poreux à pores ouverts apte à être traversé par un fluide caloporteur. Une paroi principale d'échange thermique du boîtier présente une face externe contre laquelle est disposé un composant à refroidir, et une face interne en contact avec ce milieu poreux. Dans cet exemple, le milieu poreux est un réseau régulier de billes assemblées les unes aux autres, fixé aux faces internes du canal par l'intermédiaire d'un matériau de brasure.
Il serait cependant souhaitable de pouvoir disposer d'un dispositif fluidique présentant un coefficient de transfert thermique amélioré, ce coefficient étant relatif au transfert thermique entre la paroi principale d'échange thermique destinée à recevoir un composant à refroidir et le fluide caloporteur circulant dans le canal. Ce coefficient de transfert thermique est également appelé coefficient d'échange global.
Il serait également souhaitable de pouvoir disposer, plus généralement, d'un dispositif fluidique présentant, en fonctionnement, une tenue mécanique améliorée, préservant ainsi les propriétés d'écoulement du fluide dans le canal et, le cas échéant, les propriétés de transfert thermique entre la paroi principale d'échange thermique et le fluide caloporteur.
Il existe par ailleurs un besoin de pouvoir disposer d'un procédé simplifié de réalisation d'un dispositif fluidique présentant l'une et/ou l'autre de ces améliorations.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention a pour objectif de remédier au moins en partie aux inconvénients de l'art antérieur, et plus particulièrement de proposer un dispositif fluidique comportant un canal dans lequel est situé un matériau poreux à pores ouverts, présentant une tenue mécanique améliorée et, le cas échéant, un coefficient d'échange global amélioré.
Pour cela, l'objet de l'invention est un dispositif fluidique, comportant :
- un boîtier comprenant un canal délimité par des parois, dont une première paroi principale, le canal s'étendant entre deux orifices, dits d'entrée et de sortie ;
- un milieu poreux à pores ouverts en un matériau métallique, dit mousse métallique, situé dans le canal entre lesdits orifices d'entrée et de sortie. Selon l'invention, la mousse métallique et ladite première paroi principale sont réalisées d'un seul tenant et en un même matériau, et la mousse métallique présente une distribution spatiale aléatoire des pores.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce dispositif fluidique sont les suivants :
De préférence, la mousse métallique présente une surface spécifique comprise entre 200m2/m3 et 1500m2/m3, une porosité comprise entre 65% et 85%, et une taille moyenne des pores comprise entre 2mm et 8mm.
La section droite des orifices d'entrée et de sortie peut présenter une surface inférieure à celle de la section droite du canal.
Le boîtier peut comporter une seconde paroi principale opposée à la première paroi principale, délimitant en partie le canal, la mousse métallique et ladite seconde paroi principale étant en outre réalisées d'un seul tenant et en un même matériau.
Le boîtier peut comporter une seconde paroi principale opposée à la première paroi principale délimitant en partie le canal, ladite seconde paroi principale étant une paroi rapportée, fixée de manière étanche à une paroi latérale du boîtier.
Le boîtier peut comporter une paroi latérale s'étendant entre la première paroi principale et une seconde paroi principale opposée à la première paroi, et délimitant le canal de manière circonférentielle, la mousse métallique et ladite paroi latérale étant en outre réalisées d'un seul tenant et en un même matériau.
Les orifices d'entrée et de sortie peuvent déboucher dans des chambres creuses du canal situées de part et d'autre de la mousse métallique suivant un axe longitudinal du canal.
Selon un mode de réalisation, le dispositif fluidique peut comporter :
- une première mousse métallique réalisée d'un seul tenant avec ladite première paroi principale et en un même matériau, et
- une seconde mousse métallique réalisée d'un seul tenant avec une seconde paroi principale opposée à la première paroi, et en un même matériau,
- lesdites première et seconde mousses métalliques étant assemblées l'une à l'autre par l'intermédiaire d'un collecteur fluidique comportant au moins un conduit de collection s'étendant entre deux extrémités d'entrée débouchant au niveau desdites première et seconde mousses métalliques et une extrémité de sortie débouchant au niveau de l'orifice de sortie.
Les première et seconde parois principales, les première et seconde mousses métalliques et le collecteur peuvent présenter un profil sensiblement circulaire, les parois principales et le collecteur étant assemblés de manière étanche à une paroi latérale circonférentielle du boîtier.
L'orifice d'entrée peut présenter une diamètre adapté à permettre l'introduction d'un fluide de part et d'autre du collecteur de manière à pouvoir s'écouler dans les première et seconde mousses métalliques avant de rejoindre les extrémités d'entrée du conduit de collection.
L'invention porte également sur un procédé de réalisation d'un dispositif fluidique selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, dans lequel on réalise la mousse métallique et la première paroi principale par moulage, lors d'une même étape de coulée d'un matériau métallique dans un moule, au cours de laquelle a lieu une infiltration, par ledit matériau métallique, d'une préforme poreuse destructible située dans une empreinte du moule, ladite étape de coulée étant effectuée par l'application d'une force de pression à la surface dudit matériau métallique de manière à provoquer sa remontée dans le moule et son infiltration dans la préforme, ladite préforme étant réalisée en pâte à sel ou à base de silicone.
La forme de la préforme poreuse peut être parallélépipédique, circulaire ou toute autre forme géométrique. Elle peut comporter des parois latérales et des parois supérieures et inférieures.
La préforme peut être disposée dans une empreinte d'un moule et maintenue à distance d'une face interne d'une chape du moule, l'espace séparant ladite face interne et la préforme étant destinée à former la première paroi principale.
La préforme peut être maintenue dans un profilé creux ; de manière préférée, au moins une paroi latérale de ladite préforme est en contact avec au moins une face intérieure des parois dudit profilé creux. Ledit profilé creux dans lequel est disposée la préforme peut être inséré da ns une empreinte d'un moule. Au moins une face inférieure ou supérieure de la préforme est maintenue à distance d'une face interne d'une chape du moule. De manière préférée, lors de l'étape de moulage, les pa rois du profilé sont partiellement ou totalement fondues. De manière préférée, le dispositif fluidique présente au moins une paroi de la mousse métallique en contact avec une paroi du profilé. De manière préférée, au moins une pa rtie des parois du profilé et une partie de la mousse métallique sont en continuité métallurgique dû a u mélange du métal liquide injecté pour fabriquer la mousse avec le métal fondu du profilé. La préforme peut être intercalée longitudinalement entre deux noyaux, lesdits noyaux étant destinés à former des chambres creuses du canal.
Chaque noyau peut comporter une deuxième partie destinée à former un orifice d'entrée ou de sortie, ladite deuxième portion s'étendant à partir d'une première partie destinée à former l'une desdites chambres creuses du canal. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure la est une vue schématique en coupe longitudinale et en perspective d'un dispositif fluidique selon un premier mode de réalisation, dans lequel la mousse métallique est réalisée d'un seul tenant et en un même matériau avec les parois du boîtier qui délimitent transversalement le canal ; la figure lb est une vue schématique de dessous du dispositif fluidique représenté sur la figure la ; et la figure le illustre différentes va leurs de surface spécifique de la mousse métallique pour différentes valeurs de porosité et de taille moyenne de pores ;
les figures 2a à 2e représentent des étapes d'un procédé de réalisation du dispositif fluidique selon le premier mode de réalisation ; la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un dispositif fluidique selon un deuxième mode de réalisation, dans lequel l'une des parois principales délimitant le canal forme un capot rapporté ;
les figures 4a à 4f représentent des étapes d'un procédé de réalisation du dispositif fluidique selon le deuxième mode de réalisation ;
la figure 5 est une vue schématique en perspective d'un dispositif fluidique selon un troisième mode de réalisation, dans lequel deux mousses métalliques, réalisées chacune d'un seul tenant et en un même matériau avec des parois principales, sont assemblées l'une à l'autre par un collecteur fluidique.
- La figure 6a est une vue schématique de dessous selon un quatrième mode de réalisation, dans lequel les parois latérales du dispositif fluidique comprennent un profilé. La Figure 6b correspond à la vue en coupe selon l'axe A-A du dispositif selon le quatrième mode de réalisation.
Les figures 7a et 7e représentent les étapes d'un procédé de réalisation du dispositif selon le quatrième mode de réalisation.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur les figures et dans la suite de la description, les mêmes références représentent les éléments identiques ou similaires. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l'échelle de manière à privilégier la clarté des figures.
Dans la suite de la description, les termes « sensiblement », « approximativement », « environ », « de l'ordre de » s'entendent « à 10% près ». Par ailleurs, les termes « compris entre ... et ... » et « allant de ... à ... » signifient que les bornes sont incluses, sauf mention contraire. Les bornes s'entendent également « à 10% près ».
L'invention porte sur un dispositif fluidique comportant un canal dans lequel un fluide est destiné à s'écouler, le canal étant délimité par les parois d'un boîtier. A l'intérieur du canal se situe un milieu poreux à pores ouverts apte à être traversé par le fluide. Le milieu poreux est appelé par la suite mousse métallique {metallicfoam, en anglais). Selon l'invention, la mousse métallique et au moins une première paroi principale du boîtier délimitant en partie le canal sont réalisées en un même matériau métallique et d'un seul tenant.
Le dispositif fluidique peut trouver diverses applications, par exemple dans le domaine des échangeurs de chaleur ou dans celui de la filtration. Dans la suite de la description, et à titre purement illustratif, le dispositif fluidique forme un échangeur de chaleur adapté à dissiper la chaleur produite par un composant, par exemple un composant électronique de puissance, celui-ci étant disposé contre une paroi du dispositif fluidique. D'autres types de composants peuvent être refroidis par un tel échangeur de chaleur, par exemple des composants automobiles ou nucléaires. Le fluide caloporteur destiné à s'écouler dans le canal 3 du dispositif fluidique peut être liquide ou gazeux.
Le dispositif fluidique comporte, situé à l'intérieur du canal, une mousse métallique se présentant sous la forme d'un milieu poreux solide à pores ouverts. Ce milieu poreux forme donc un réseau tridimensionnel de pores interconnectés. La mousse métallique est réalisée en un matériau métallique solide tel que, par exemple, de l'aluminium ou un alliage d'aluminium, par exemple un alliage du type AISi7MgO,6, mais tout autre type d'alliage de moulage présentant une bonne coulabilité peut être utilisé. D'autres matériaux peuvent aussi être utilisés tels que, par exemple, les alliages de zinc, de cuivre, les fontes, les aciers...
Selon l'invention, la mousse métallique présente un réseau de pores répartis spatialement de manière aléatoire. Par répartition spatiale aléatoire, on entend que l'agencement mutuel des pores est sensiblement apériodique et ne présente sensiblement pas de direction privilégiée : l'orientation des pores dans la matrice est aléatoire. Un tel réseau de pores se distingue ainsi des réseaux réguliers de billes tels que celui décrit dans l'exemple de l'art antérieur mentionné précédemment.
De plus, selon l'invention, la mousse métallique et au moins une première paroi principale du boîtier délimitant au moins en partie le canal sont réalisées en un même matériau métallique et d'un seul tenant. Par « réalisées d'un seul tenant et en un même matériau », on entend que la mousse métallique et la première paroi principale sont réalisées de manière monolithique, c'est-à-dire en une seule pièce, la liaison mécanique étant assurée par la continuité métallurgique du matériau métallique formant ces deux pièces, coulées ensemble en une seule et même opération. On comprend ainsi qu'en étant réalisées d'un seul tenant et en un même matériau métallique, la mousse métallique est assemblée à la première paroi principale sans la présence d'une couche intermédiaire de fixation, telle qu'une couche d'un matériau de brasure ou de soudure, située à l'interface entre la mousse métallique et la première paroi principale.
La mousse métallique peut présenter une porosité supérieure ou égale à 10%, par exemple comprise entre 60% et 90%, et de préférence comprise entre 65% et 85%. La porosité s'entend comme le rapport entre le volume cumulé des pores sur le volume total de la mousse métallique.
Par ailleurs, les pores peuvent présenter une taille moyenne millimétrique. La taille moyenne des pores peut être, par exemple, comprise entre 1mm et 10mm, voire entre 2mm et 8mm. La taille moyenne s'entend comme la moyenne, par exemple arithmétique, de la dimension maximale moyenne et de la dimension minimale moyenne des pores. La dimension maximale moyenne est la moyenne des dimensions maximales des pores et la dimension minimale moyenne est la moyenne des dimensions minimales des pores. De manière préférée, les pores ont une taille similaire. Le terme similaire s'entend en ce que les pores ont une dimension comprise entre +/-10% d'une valeur. De façon préférée cette valeur peut être comprise entre 1 mm et 10 mm, et de façon encore plus préférée entre 2 mm et 8 mm.
En outre, la mousse métallique peut présenter une surface spécifique comprise entre 200m2/m3 et 1500m2/m3. Par surface spécifique, on entend la superficie réelle de la surface des pores, autrement dit, la surface développée de la mousse, sur le volume total de la mousse métallique. Elle peut être estimée de manière classique par tomographie aux rayons X.
Comme il est décrit par la suite, la mousse métallique peut être réalisée à base d'aluminium, par un procédé de moulage comportant une étape de coulée au cours de laquelle a lieu une infiltration d'une préforme destructible. Cette préforme peut être réalisée en un matériau à base de pâte à sel, tel que le décrit par exemple le document EP2118328, voire en un matériau à base de silicone comme le décrit par exemple le document FR2992660.
Dans cette application d'échangeur de chaleur, la première paroi principale 10 est de préférence une paroi d'échange thermique dont la face externe présente une surface adaptée à recevoir un composant à refroidir. Par face externe, on entend une face de la paroi opposée à la face interne orientée vers le canal 3.
La figure la est une vue schématique en coupe longitudinale et en perspective d'un dispositif fluidique 1 selon un premier mode de réalisation et la figure lb est une vue de dessous, schématique en coupe longitudinale, du dispositif fluidique 1 représenté sur la figure la.
Dans cet exemple, comme il est explicité par la suite, le dispositif fluidique 1 comporte un canal 3 qui s'étend suivant un axe longitudinal sensiblement rectiligne. Par ailleurs, la mousse métallique 30 est réalisée d'un seul tenant et en un même matériau avec les parois principales 10, 20 délimitant transversalement le canal 3.
On définit ici un repère orthonormé tridimensionnel (Χ,Υ,Ζ), où le plan (X,Y) est sensiblement parallèle au plan des parois principales 10, 20 du dispositif fluidique 1, l'axe Z étant orienté suivant une direction sensiblement orthogonale au plan (X,Y). Ainsi, les termes « vertical » et « verticalement » s'étendent comme étant relatifs à une orientation suivant l'axe Z, et les termes « inférieur » et « supérieur » s'étendent comme étant relatifs à un positionnement suivant l'axe Z.
On définit la longueur du canal 3 comme la distance, ici suivant l'axe X, entre deux orifices d'entrée 4A et de sortie 4B ; la largeur du canal 3 comme la distance, suivant l'axe Y, entre deux faces internes opposées l'une à l'autre d'une paroi latérale 40 du canal 3 ; et la hauteur du canal 3 comme la distance, suivant l'axe Z, entre les deux faces internes 11, 21 des parois principales 10, 20. Le dispositif fluidique 1 comporte un boîtier 2 formé de parois dont les faces internes délimitent un canal 3. Le boîtier 2 est ici formé de deux parois principales 10, 20 opposées l'une à l'autre suivant l'axe Z, et d'une paroi latérale 40 reliant de manière circonférentielle les parois principales 10, 20 l'une à l'autre, c'est-à-dire suivant le périmètre du canal 3. Les faces internes des différentes parois, c'est-à-dire les faces orientées vers le canal 3, délimitent ensemble le canal 3.
Dans cet exemple, les première et seconde parois principales 10, 20 sont sensiblement planes et parallèles l'une à l'autre. Elles présentent chacune une face interne 11, 21 et une face externe 12, 22, opposées l'une à l'autre, sensiblement planes. Elles sont reliées l'une à l'autre de manière étanche par la paroi latérale 40. Dans cet exemple, la première paroi principale 10 forme une paroi d'échange de chaleur avec un composant à refroidir, et présente une surface de sa face externe 12 sensiblement plane dans le but de recevoir le composant à refroidir.
Le boîtier 2 présente ici un profil, dans le plan (X,Y), de forme rectangle, mais d'autres formes sont possibles, par exemple circulaire ou ovale, voire carrée ou polygonale. Le canal 3 présente ici une forme générale de parallélépipède aplati. Autrement dit, le canal présente une hauteur inférieure à sa largeur et à sa longueur, permettant ainsi d'optimiser la surface d'échange entre le fluide caloporteur et la première paroi principale 10 d'échange thermique. Le boîtier 2 comporte des orifices traversants qui débouchent dans le canal 3, et forment des orifices d'entrée 4A et de sortie 4B. Ils sont agencés suivant l'axe longitudinal du canal 3 de manière à permettre l'introduction et l'évacuation du fluide caloporteur dans le canal 3. Dans cet exemple, les orifices d'entrée 4A et de sortie 4B sont formés au travers de la même seconde paroi principale 20, et sont destinés à recevoir des extrémités de conduits fluidiques (non représentés) d'alimentation et d'évacuation du fluide caloporteur. En variante, les orifices 4A, 4B peuvent être disposés au niveau de la première paroi principale 10, voire au niveau de la paroi latérale 40. Par ailleurs, la section droite des orifices 4A, 4B présente une surface inférieure à celle d'une section droite du canal 3. Par section droite, on entend une section suivant un plan orthogonal à l'axe longitudinal de l'élément considéré.
Le dispositif fluidique 1 comporte en outre une mousse métallique 30, située dans le canal 3 entre les orifices d'entrée 4A et de sortie 4B. Elle se présente sous la forme d'un bloc poreux à pores ouverts répartis spatialement de manière aléatoire, qui remplit ici une partie du canal 3. Plus précisément, la mousse métallique 30 remplit la surface d'une section droite du canal 3, dans le plan (Y,Z), et s'étend longitudinalement suivant l'axe X sur une partie du canal 3. Ainsi, elle est en contact avec une partie des faces internes des parois principales 10, 20 et latérale 40, de sorte que le fluide caloporteur, s'écoulant dans le canal 3 entre les orifices d'entrée 4A et de sortie 4B, traverse nécessairement la mousse métallique 30.
La mousse métallique 30 est réalisée en un même matériau et d'un seul tenant avec la première paroi principale 10, et, dans cet exemple, avec la seconde paroi principale 20 et la paroi latérale 40. Ainsi, la mousse métallique 30 et les parois principales 10, 20 et latérale 40 du boîtier 2 forment une seul pièce, monolithique, réalisée en un même matériau. On comprend donc que la mousse métallique 30 n'est pas fixée auxdites parois par une couche intermédiaire de fixation tel qu'une couche d'un matériau de brasure ou de soudure mais que la liaison mécanique est assurée par une continuité métallurgique formée par le matériau métallique de la mousse métallique et desdites parois, coulées ensemble en une seule et même opération.
Dans cet exemple, la mousse métallique 30 est située entre deux chambres creuses, dites d'entrée 5A et de sortie 5B, et ne s'étend donc pas sur toute la longueur du canal 3. La chambre d'entrée 5A, dans laquelle débouche l'orifice d'entrée 4A, est délimitée par les parois du boîtier 2 et une face libre dite amont 31A de la mousse métallique 30. La chambre de sortie 5B, dans laquelle débouche l'orifice de sortie 4B, est délimitée par les parois du boîtier 2 et une face libre dite aval 31B de la mousse métallique 30.
Ainsi, par le fait que la première paroi principale 10 et la mousse métallique 30 sont réalisées d'un seul tenant et en un même matériau d'une part, et que la mousse métallique 30 forme un réseau de pores ouverts spatialement répartis de manière aléatoire d'autre part, on améliore les propriétés de transfert thermique du dispositif fluidique 1, et notamment le coefficient d'échange global. De plus, on améliore également la tenue mécanique du dispositif fluidique 1, ce qui permet de préserver les propriétés fluidiques et thermiques du dispositif 1 en fonctionnement.
En effet, la fixation de la mousse métallique 30 à la première paroi principale 10 est assurée par la continuité métallurgique entre ces deux pièces et n'est donc pas réalisée au moyen d'une couche intercalaire d'un matériau de soudure ou de brasure, un tel matériau étant susceptible de présenter une conductivité thermique inférieure à celle du matériau métallique de la première paroi principale 10 et de la mousse métallique 30. On améliore donc les propriétés de transfert thermique du dispositif fluidique 1, et notamment le coefficient d'échange global hg du dispositif. Par coefficient d'échange global hg, ou coefficient de transfert thermique global, on entend le coefficient quantifiant le flux d'énergie qui traverse la première paroi principale 10 et la mousse métallique 30, provenant du composant à refroidir jusqu'au fluide caloporteur. Ce coefficient dépend notamment du coefficient d'échange hp de la première paroi principale 10 et du coefficient hm de la mousse métallique 30, et d'une manière générale, de toute couche intermédiaire éventuelle située entre la première paroi principale 10 et la mousse métallique 30. Le coefficient d'échange se définit classiquement comme le rapport AQ/S.AT où ΔΟ. est l'énergie thermique transférée, S la surface d'échange, et ΔΤ la différence de température de part et d'autre de la surface d'échange. L'absence ici d'une telle couche intermédiaire de brasure ou de soudure permet donc de ne pas dégrader la valeur du coefficient d'échange global du dispositif fluidique 1, ce qui se traduit par une optimisation des propriétés de transfert thermique du dispositif fluidique 1. Les propriétés de transfert thermique du dispositif fluidique 1 sont en outre améliorées par le fait que les pores ouverts de la mousse métallique sont spatialement répartis de manière aléatoire. Le fluide caloporteur s'écoule alors dans la mousse métallique 30 sans présenter de direction d'écoulement privilégiée, ce qui tend à améliorer le transfert thermique entre le dispositif fluidique 1 et le fluide caloporteur. Par ailleurs, la tenue mécanique du dispositif fluidique 1 est améliorée dans la mesure où l'absence de couche intermédiaire de brasure ou de soudure entre la mousse métallique 30 et la première paroi principale 10, et ici entre la mousse et les autres parois du boîtier, conduit à une meilleure résistance mécanique vis-à-vis d'une éventuelle concentration des contraintes mécaniques à l'interface entre la mousse métallique 30 et les parois du boîtier. En effet, les conditions opératoires du dispositif fluidique 1 en fonctionnement, notamment en pression et/ou en température, peuvent générer des contraintes mécaniques venant se concentrer à l'interface entre la mousse métallique 30 et la ou les parois en contact avec cette dernière. Lorsqu'une couche intermédiaire de brasure ou de soudure est présente, la concentration des contraintes peut provoquer un décollement de la paroi vis-à-vis de la mousse métallique 30. Ce décollement peut alors entraîner une dégradation des propriétés d'écoulement du fluide dans la mousse métallique 30, et, le cas échéant, une dégradation des propriétés de transferts thermiques.
De plus, un tel dispositif fluidique 1, dont la première paroi principale 10 et la mousse métallique 30 sont réalisées d'un seul tenant et en un même matériau, peut être obtenu par un procédé de réalisation simplifié, dont un exemple est décrit maintenant.
Par ailleurs, la mousse métallique 30 présente avantageusement une porosité allant de 65% à 85% environ et une taille moyenne de pores comprise entre 2mm et 8mm environ. II est avantageux que les pores aient une dimension similaire comprise entre 2 mm et 8 mm. Les inventeurs ont en effet constaté qu'une telle mousse métallique 30 à pores ouverts et spatialement répartis de manière aléatoire présente alors une surface spécifique particulièrement importante, allant de 200m2/m3 à 1500m2/m3 environ, ce qui augmente fortement les propriétés de transfert thermique du dispositif fluidique 1. La figure le illustre des valeurs de surface spécifique de la mousse métallique 30 en fonction de la porosité et de la taille moyenne des pores, ces valeurs de surface spécifique étant obtenues à partir de mesures par tomographie aux rayons X. Il en ressort que pour une porosité ε comprise entre 65% et 85% environ, la surface spécifique Sp augmente fortement, allant de 200m2/m3 environ pour une taille moyenne de pores de 8mm environ, à 1500m2/m3 environ pour une taille moyenne de pores de 2mm environ. A titre illustratif, la surface spécifique de la mousse métallique 30 est de l'ordre de 630m2/m3 pour une porosité de 73,9% environ et une taille moyenne de pores de l'ordre de 5mm. La surface spécifique peut augmenter à 1490 m2/m3 pour une porosité de 72,4% environ et une taille moyenne de pores de l'ordre de 2mm. La présence dans le canal 3 d'une mousse métallique 30 présentant ces hautes valeurs de surface spécifique permet d'augmenter sensiblement les propriétés de transfert thermique du dispositif fluidique 1.
Les figures 2a à 2e illustrent différentes étapes d'un exemple de procédé de réalisation du dispositif fluidique 1 selon le premier mode de réalisation tel qu'illustré sur la figure la. Le dispositif fluidique 1 est réalisé ici par une technique de moulage de type « basse pression » comportant une étape d'infiltration d'une préforme simultanément à la coulée du métal liquide.
Le moulage du type « basse pression » est une technique dans laquelle on applique une force de pression, ici une surpression, à la surface d'un métal liquide situé dans un four alimentant le moule, de manière à provoquer la remontée du métal liquide dans le moule ainsi que son infiltration dans la préforme. De manière alternative, on peut appliquer une dépression dans le moule de sorte que le métal liquide subisse une force de dépression dite d'aspiration provoquant le remplissage du moule ainsi que son infiltration dans la préforme. Les valeurs de pression utilisées sont adaptées à ce que le métal liquide s'infiltre dans les interstices de la préforme de manière à obtenir in fine la mousse métallique 30 voulue.
Ces techniques de moulage, appliquées à une préforme en pâte à sel ou en un matériau à base de silicone, sont adaptées à la réalisation de mousse métallique à pores ouverts répartis spatialement de manière aléatoire et pouvant atteindre des hautes valeurs de surface spécifique. Les inventeurs ont constaté que d'autres techniques de moulage, par exemple le moulage par gravité, ne permettent pas de réaliser des mousses métalliques présentant ces caractéristiques. Lors d'une première étape (figure 2a), on réalise une pièce 50 formée d'une préforme 51 assemblée à deux noyaux 53A, 53B disposés de part et d'autre de la préforme 51. Les deux noyaux 53A, 53B sont au contact des deux faces transversales 52A, 52B opposées l'une à l'autre de la préforme 51, dite faces amont et aval. Chaque noyau 53A, 53B comporte ici une première partie 54A, 54B destinée à former la chambre d'entrée 5A ou de sortie 5B, qui s'étend suivant l'axe longitudinal de la préforme 51. Elle présente ici une épaisseur suivant l'axe Z sensiblement égale à celle de la préforme 51, et un profil dans le plan (X,Y) sensiblement triangulaire à sommet arrondi. Chaque noyau 53A, 53B comporte en outre une deuxième partie 55A, 55B, destinée à former l'orifice d'entrée 4A ou de sortie 4B, qui s'étend à partir de la première partie 54A, 54B de manière sensiblement orthogonale au plan principal (X,Y) de la préforme 51. Enfin, chaque noyau 53A, 53B comporte une troisième partie 56A, 56B, destinée à assurer le maintien de la pièce 50 dans une position dite suspendue vis-à-vis des faces internes d'un moule 60, qui s'étend dans le prolongement de la deuxième partie 55A, 55B. Les noyaux 53A, 53B sont destructibles et peuvent être réalisés en sable aggloméré typiquement par de la résine.
La préforme 51 est destinée à former la mousse métallique 30. Elle peut être réalisée à partir de pâte à sel conformément au procédé décrit dans le document EP2118328 ou à partir d'un matériau à base de silicone conformément au procédé décrit dans le document FR2992660. A titre illustratif, la préforme 51 est réalisée en élastomère de silicone suivant le procédé décrit dans le document FR2992660. On réalise tout d'abord des éléments distincts d'élastomère de silicone, de taille millimétrique, par exemple par extrusion puis découpage. Ces éléments sont ensuite agglomérés à l'aide d'un liant puis l'ensemble obtenu est polymérisé dans une boîte à noyaux dont l'empreinte définit les dimensions finales désirées de la préforme 51. Après déboîtage puis évacuation des solvants éventuels, on obtient une préforme 51 poreuse à interstices interconnectés en élastomère de silicone.
Lors d'une deuxième étape (figures 2b), la pièce 50 est placée dans un moule 60, par exemple un moule en sable, et plus précisément dans l'empreinte 65 du moule dont les dimensions définissent les dimensions désirées du boîtier 2. Le moule 60 est formé de deux parties 61, 63, dites chapes, qui, lorsqu'elles sont en contact, délimitent ensemble l'empreinte 65, à savoir la cavité intérieure du moule 60 dans laquelle est placée la pièce 50. Le moule 60 comporte en outre un conduit d'alimentation 66 pour l'introduction du métal liquide dans l'empreinte 65.
Dans cet exemple, la chape supérieure 63 présente une face interne 64 qui entoure en partie la pièce 50 sans la contacter. L'espace séparant la chape supérieure 63 de la pièce 50 est destinée à former la première paroi principale 10 et une partie de la paroi latérale 40. Par ailleurs, la chape inférieure 61 présente une face interne 62 qui entoure en partie la pièce 50, l'espace séparant la chape 61 de la pièce 50 est destinée à former la seconde paroi principale 20 ainsi qu'une partie de la paroi latérale 40. Cet espace est traversé par les deuxièmes parties 55A, 55B des noyaux destinées à former les orifices d'entrée 4A et de sortie 4B.
Par ailleurs, la pièce 50, et plus particulièrement la préforme 51 et les premières parties 54A, 54B des noyaux, sont maintenues à distance des faces internes du moule 60 par l'engagement des troisièmes parties 56A, 56B des noyaux dans des logements prévus dans la face interne 62 de la chape inférieure 61.
De préférence, préalablement à son insertion dans l'empreinte 65, la pièce 50 est préchauffée à une température pouvant être de l'ordre de 80°C à 250°C, par exemple à 150°C environ.
Lors d'une troisième étape, on procède à la coulée du métal liquide dans l'empreinte 65 du moule 60 selon le procédé dit de « basse pression ». L'alliage le plus couramment utilisé est du type AISi7Mg0.6, mais tout autre type d'alliage de moulage présentant une bonne coulabilité peut être utilisé. La température peut être de l'ordre de 800°C à 820°C. Le métal liquide remplit ainsi le conduit d'alimentation 66 puis remplit l'empreinte 65 du moule 60 mise en surpression, typiquement de 700 mbar à 1.5 bar. Le métal s'infiltre également dans les interstices de la préforme 51 en élastomère de silicone, et entoure également la préforme 51 et les noyaux 53A, 53B.
Lors d'une quatrième étape (figures 2c et 2d), après solidification et refroidissement, on décoche le moule 60 et on retire la pièce moulée 57. Après ébarbage et usinage de la pièce moulée 57, et élimination de la poudre restante de silice, on obtient le dispositif fluidique 1 représenté sur la figure 2e.
A titre purement illustratif, la mousse métallique 30 présente une longueur de 105mm, une largeur de 50mm pour une épaisseur de 10mm à 35mm. Elle présente une porosité de l'ordre de 70% à 75% à pores ouverts et répartis spatialement de manière aléatoire. La première paroi principale 10 présente une épaisseur de 2mm environ et la seconde paroi principale 20 une épaisseur de 5mm environ. Les orifices d'entrée 4A et de sortie 4B peuvent présenter un diamètre de l'ordre de 5 à 15mm. La surface spécifique de la mousse métallique peut être ajustée en fonction de la taille moyenne des pores et de la porosité, ces paramètres étant adaptés lors la fabrication de la préforme, notamment via les dimensions des éléments agglomérés d'élastomère de silicone.
En variante, comme mentionné précédemment, la réalisation du dispositif fluidique 1 peut être effectuée par une technique de moulage du type « basse pression » comportant l'infiltration d'une préforme à base de pâte à sel préalablement obtenue selon le procédé décrit dans le document EP2118328.
Le procédé comporte des étapes identiques ou similaires à celles décrites en référence aux figures 2a à 2e.
Il s'en distingue en ce que, lors d'une première étape, on réalise la préforme 51 par mélange de particules de sel broyées, d'un liant organique thermo-dégradable, et d'un agent mouillant. On obtient ainsi une préforme 51 en pâte à sel poreuse à interstices interconnectés. Une étape d'élimination de l'agent mouillant, de décomposition du liant et de durcissement de la préforme 51 peut être effectuée, notamment par une étape de cuisson de la préforme 51 à une température de l'ordre de 100°C, suivie d'une étape de pyrolyse à une température de l'ordre de 500°C.
Lors d'une deuxième étape, on met en place, dans l'empreinte 65 du moule 60, la pièce 50 formée de la préforme 51 et des noyaux 53A, 53B, cette pièce 50 étant de préférence préchauffée à une température par exemple de 600°C. Lors d'une troisième étape, on procède à la coulée du métal liquide à une température de l'ordre de 750°C avec une mise en surpression typiquement de 700 mbar à 1.5 bar. L'alliage le plus couramment utilisé est du type AISi7Mg0.6, mais tout autre type d'alliage de moulage présentant une bonne coulabilité peut être utilisé.
Lors de cette étape de coulée, de manière concomitante à la formation des parois 10, 20, 40 du boîtier, le métal liquide s'infiltre dans les interstices interconnectés de la préforme 51 de manière à former la mousse métallique 30.
Lors d'une quatrième étape, après solidification et refroidissement, on retire la pièce moulée 57 de l'empreinte 65 du moule 60 et on élimine le sel de la préforme 51 par un solvant. Après ébarbage et usinage de la pièce moulée, on obtient le dispositif fluidique 1 illustré sur la figure 2e. La mousse métallique forme un réseau de pores ouverts répartis spatialement de manière aléatoire. Comme mentionné précédemment, la surface spécifique de la mousse métallique peut être ajustée en fonction de la taille moyenne des pores et de la porosité, ces paramètres étant adaptés lors la fabrication de la préforme, notamment via les dimensions des particules agglomérées de pâte à sel.
Ainsi, le procédé de réalisation du dispositif fluidique 1 est simplifié dans la mesure où la réalisation de la mousse métallique 30 et de la première paroi principale 10 en un seul tenant et en un même matériau est effectuée lors d'une seule et même étape de coulée du métal liquide, cette étape permettant le moulage du boîtier 2 et l'infiltration de la préforme 51. On évite ainsi toute étape d'usinage du boîtier pour former le canal 3, ainsi que toute étape de fixation de la mousse métallique 30 à la première paroi principale 10 par l'intermédiaire d'une couche de fixation, par exemple une couche de brasure.
Cet exemple de procédé est ici particulièrement avantageux dans la mesure où la mousse métallique 30 est également réalisée d'un seul tenant et en un même matériau avec la seconde paroi principale 20 et avec la paroi latérale 40, et que la mousse métallique obtenue forme un réseau de pores ouverts à répartition spatiale aléatoire. La tenue mécanique du dispositif fluidique 1 et le coefficient d'échange global en sont améliorés. La figure 3 est une vue schématique en perspective d'un dispositif fluidique 1 à mousse métallique 30 selon un seconde mode de réalisation.
Le dispositif fluidique 1 se distingue du dispositif fluidique 1 décrit précédemment en référence aux figures la et lb en ce que la mousse métallique 30 est réalisée d'un seul tenant et en un même matériau avec la première paroi principale 10 et la paroi latérale 40, la seconde paroi principale 20 étant une paroi rapportée formant un capot pour le canal 3.
Ainsi, le boîtier 2 comporte un canal 3 délimité transversalement par la première paroi principale 10 et par la paroi latérale 40. Les parois sont ici réalisées d'un seul tenant et en un même matériau. La mousse métallique 30 est située dans le canal 3 entre les deux chambres d'entrée 5A et de sortie 5B.
Le boîtier 2 comporte une seconde paroi principale 20 qui se présente sous forme d'une paroi rapportée dont la fixation à la paroi latéral 40 du boîtier 2 permet de fermer transversalement le canal 3 de manière étanche. Elle comporte deux orifices traversants, dits d'entrée 4A et de sortie 4B, qui débouchent respectivement dans la chambre d'entrée 5A et dans la chambre de sortie 5B. De manière alternative, les orifices d'entrée 4A et de sortie 4B peuvent être réalisés, non pas au niveau du capot rapporté, mais au niveau de la paroi latérale 40 voire au niveau de la première paroi principale 10.
Le capot rapporté 20 peut être fixé à la paroi latérale 40 du boîtier 2 au niveau de sa face supérieure de contact 43, ainsi que, de préférence, à la mousse métallique 30. La fixation peut être réalisée de manière étanche par une couche intermédiaire d'un matériau de brasure (non représentée). Ainsi, la fixation et l'étanchéité est obtenue entre le capot rapporté 20 d'une part, et la paroi latérale 40 du boîtier 2 et, le cas échéant, la mousse métallique 30 d'autre part.
Le canal 3 et la mousse métallique 30 présentent ici une forme générale et des dimensions identiques ou similaires à celles décrites précédemment en référence aux figures la et lb, et ne sont pas décrites à nouveau ici. Les figures 4a à 4f illustrent des étapes d'un exemple de procédé de réalisation du dispositif fluidique 1 selon le second mode de réalisation.
Lors d'une première étape, on réalise, d'une manière identique ou similaire aux procédés décrits précédemment, une préforme 51 poreuse à interstices interconnectés en un matériau en pâte à sel ou en élastomère de silicone. Par ailleurs, on ne prévoit pas ici d'assembler des noyaux à la préforme 51 comme dans la pièce 50 décrite en référence à la figure 2a.
Lors d'une deuxième étape, comme le montre la figure 4a, on prépare un moule 60 à deux chapes 61, 63 dont la chape inférieure 61 est similaire ou identique à la chape inférieure des figures 2b et 2c. Par ailleurs, la chape supérieure 63 comporte des noyaux 53A, 53B sous forme de portions en saillie vis-à-vis d'une face interne 64, ces noyaux étant destinées à former les chambres d'entrée 5A et de sortie 5B. Ces noyaux sont montés mobiles en translation vis-à-vis de la chape supérieure 63 de manière à former des mors d'un étau permettant de maintenir la préforme 51 dans une position dite suspendue lors du moulage. Plus précisément, les mors sont espacés l'un de l'autre d'une distance sensiblement égale à la longueur de la préforme 51, et sont disposées de part et d'autre d'une surface 64c de la face interne 64 de la chape supérieure 63, celle-ci étant destinée à être au contact de la préforme 51.
Comme le montre la figure 4b, on dispose la préforme 51 au contact de la surface de contact 64c, de sorte que les faces amont et aval de la préforme 51 soient au contact respectif des mors. Ceux-ci exercent une force de maintien sur la préforme 51 permettant de maintenir celle-ci en position, sans engendrer une compression de la préforme 51 susceptible de modifier sa porosité.
Lors d'une troisième étape (figure 4c), le moule 60 est fermé par mise en contact mutuel des chapes supérieure 63 et inférieure 61. La préforme 51 est maintenue dans une position suspendue vis-à-vis de la face interne 62 de la chape inférieure 61, cet espace étant destiné à former notamment la première paroi principale 10. Un espace latéral entre les mors et la face interne 62 de la chape inférieure 61 est destiné à la formation de la paroi latérale 40 du boîtier 2. On procède ensuite à la coulée du métal liquide par le biais du conduit d'alimentation 66, de sorte que le métal remplit l'empreinte 65 du moule 60 et donc l'espace séparant la face interne 62 de la préforme 51 d'une part, et des mors d'autre part. Dans le même temps, le métal s'infiltre dans les interstices de la préforme 51. Cette étape est similaire ou identique à celle décrite précédemment en référence à la figure 2b.
Dans la mesure où la préforme 51 est au contact de la surface de contact 64c de la chape supérieure 63, la seconde paroi principale 20 du boîtier 2 n'est pas réalisée lors de cette étape.
Lors d'une quatrième étape (figures 4d et 4e), après solidification et refroidissement, on décoche le moule 60 et on retire la pièce moulée 57. Le boîtier 2 comporte ainsi la mousse métallique 30 réalisée d'un seul tenant et en un même matériau avec la première paroi principale 10 et avec la paroi latérale 40 délimitant le canal 3.
On procède ensuite à l'élimination de la silice ou de la pâte à sel restante. Cette étape est simplifiée dans la mesure où le canal 3 ne présente pas une section transversale fermée et délimitée par les différentes parois du boîtier 2. On a en effet accès au canal 3 et à la mousse métallique 30 par une ouverture formée par l'absence de la seconde paroi principale 20.
Lors d'une dernière étape (figure 4f), après ébarbage et usinage de la pièce moulée 57, on dépose une couche d'un matériau de brasure dans la zone de contact entre le capot rapporté 20 et la paroi latérale 40, ainsi que dans la zone de contact entre le capot rapporté 20 et la face libre de la mousse métallique 30. On ferme le canal 3 à l'aide du capot rapporté et on place le dispositif fluidique 1 ainsi obtenu dans un four à brasage.
La figure 5 est une vue éclatée et en perspective d'un dispositif fluidique 1 selon le troisième mode de réalisation. Dans cet exemple, le dispositif fluidique 1 est formé d'un boîtier 2 de profil transversal sensiblement circulaire. Il comporte une paroi latérale 40 délimitant le canal 3 dans le plan (X,Y) et deux parois principales 10, 20 opposées délimitant le canal 3 suivant l'axe Z. Dans cet exemple, les deux parois principales 10, 20 sont fixées à la paroi latérale 40 de manière étanche par une couche de brasure (non représentée). Alternativement, au moins l'une des parois principale 10, 20 peut être réalisée d'un seul tenant et en un même matériau avec la paroi latérale 40. Chaque paroi principale 10, 20 est réalisée d'un seul tenant et en un même matériau avec une mousse métallique 30-1, 30-2. Les mousses métalliques 30-1, 30-2 peuvent présenter un diamètre égal ou inférieur à celui des parois principales 10, 20.
Les deux parois principales 10, 20 munies des mousses métalliques respectives 30-1, 30-2 sont assemblées l'une à l'autre suivant l'axe Z par l'intermédiaire d'un collecteur fluidique 6 intercalé entre les deux mousses métalliques 30-1, 30-2. Le collecteur 6 présente un volume plein de forme cylindrique, d'un diamètre sensiblement égal à celui des parois principales 10, 20, et est assemblé de manière étanche à la paroi latérale 40. Le collecteur 6 comporte un conduit de collection qui s'étend entre deux extrémités d'entrée 7A et une extrémité de sortie 7B. Les extrémités d'entrée 7A débouchent l'une et l'autre sur les faces supérieure et inférieure, opposées l'une à l'autre, du collecteur 6, et font donc face aux mousses métalliques 30-1, 30-2, et sont positionnées de préférence au centre du collecteur 6. L'extrémité de sortie 7B débouche sur la face circonférentielle du collecteur 6.
Ainsi, le canal 3 est formé d'une partie inférieure délimitée entre la première paroi principale 10 et la face inférieure du collecteur 6 et contenant la mousse métallique 30-1, et une partie supérieure délimitée entre la seconde paroi principale 20 et la face supérieure du collecteur 6 et contenant la mousse métallique 30-2. Le canal 3 se poursuit par le conduit de collection qui relie les deux parties du canal 3 jusqu'à l'extrémité de sortie 7B.
Le boîtier 2 comporte en outre un orifice d'entrée 4A et un orifice de sortie 4B du canal 3 positionnés au niveau de la paroi latérale 40 du boîtier 2, destinés à permettre l'alimentation du fluide dans les deux parties inférieure et supérieure du canal 3, et l'évacuation du fluide provenant de l'extrémité de sortie 7B du conduit de collection. L'orifice d'entrée 4A présente une dimension transversale adaptée à permettre l'introduction du fluide à la fois dans les deux parties du canal 3, de sorte que le fluide s'écoule au-travers des deux mousses métalliques 30-1, 30-2 et reçoit la chaleur provenant de l'une ou l'autre, ou des deux parois principales 10, 20. Le fluide s'écoule ensuite dans le conduit de collection à partir des extrémités d'entrée 7A jusqu'à l'extrémité de sortie 7B. L'orifice de sortie 4B est positionné en regard de l'extrémité de sortie 7B du conduit de collection, de sorte que le fluide puisse être directement évacué sans circuler à nouveau dans les parties inférieure et supérieure du canal 3.
Le procédé de réalisation de ce dispositif fluidique 1 peut être réalisé de manière similaire aux procédés de réalisation décrits précédemment. Ainsi, chaque paroi principale 10, 20 peut être réalisée d'un seul tenant et en un même matériau avec la mousse métallique 30- 1, 30-2 correspondante, par un procédé de moulage à basse pression avec une étape d'infiltration d'un préforme 51 en pâte à sel ou à base de silicone, cette étape d'infiltration étant concomitante à la coulée de moulage. L'assemblage des parois 10, 20, 40 et du collecteur 6 peut être réalisée par brasage.
Un dispositif obtenu selon l'invention, et de manière préférée par le troisième mode de réalisation décrit précédemment, permet d'obtenir une performance thermique similaire aux produits connus, avec une perte de pression plus faible, d'un facteur au moins supérieur à 2, de manière préférée 5 et de manière encore plus préférée 7. Un tel dispositif permet ainsi par exemple d'utiliser des pompes de circulation de fluide moins puissantes.
La figure 6a est une vue schématique en vue de dessous d'un dispositif fluidique à mousse métallique selon un quatrième mode de réalisation. Dans ce quatrième mode de réalisation, le dispositif fluidique 1 se distingue des dispositifs fluidique 1 décrits précédemment aux figures la, lb et 3 en ce que la mousse métallique 30 est réalisée d'un seul tenant et en un même matériau avec la première paroi principale 10 (Fig 6b). La paroi latérale 40 comprend les parois d'un profilé creux 70. Optionnellement, la mousse métallique 30 est réalisée d'un seul tenant et en un même matériau avec la seconde paroi principale 20 (Fig 6b), opposée à la paroi principale 10.
Ce quatrième mode de réalisation se distingue des modes de réalisation précédemment décrits par le fait que la préforme 51 destinée à former la mousse métallique 30 est maintenue dans un profilé creux 70. L'utilisation d'un profilé 70 facilite la manipulation de la préforme et son positionnement dans le moule 60. Il peut être avantageux que les dimensions du profilé 70 soient adaptées de telle sorte que les faces externes des parois du profilé soient en contact avec les parois latérales de l'empreinte 65 du moule et constituent les faces latérales du boîtier 2. De manière préférée l'épaisseur des parois du profilé est comprise entre 1 mm et 5 mm, ou de manière encore plus préférée entre 2 mm et 3 mm.
Les figures 7a à 7e illustrent des étapes d'un exemple de procédé de réalisation du dispositif fluidique 1 selon le quatrième mode de réalisation.
Lors d'une première étape (Fig 7b), on réalise une pièce 80 formée d'un profilé creux 70' et d'une pièce 50'. La pièce 50' est constituée d'une préforme 5 assemblée à deux noyaux 53A', 53B' disposés de part et d'autre de la préforme 5 comme dans le premier mode de réalisation (Fig 7a). La préforme 5 est destinée à former la mousse métallique 30. Elle peut être obtenue à partir de pâte à sel ou de silicone. La pièce 50' s'intègre dans une chambre du profilé creux 70'. Dans l'exemple tel que décrit, le profilé creux 70' présente une seule chambre. Les faces latérales de la préforme 5 sont en contact avec les parois intérieures de la chambre du profilé 70'.
Les étapes suivantes sont alors similaires à celles précédemment décrites des modes de réalisation premier ou deuxième, selon le type de boîtier désiré. Dans une seconde étape, la pièce 80 est ensuite mise en place dans l'empreinte 65' du moule 60'. Le moule 60' est constitué de deux parties 61' et 66'. Cette pièce 80 est de préférence préchauffée (Fig 7c). Lors d'une troisième étape, on procède à la coulée du métal liquide dans l'empreinte 65' du moule 60'. Lors d'une quatrième étape, après solidification et refroidissement (Fig 7d) , on décoche le moule 60' et on retire la pièce moulée 57'. Après ébarbage et usinage de la pièce moulée 57', et élimination des résidus de la préforme 5 , on obtient le dispositif fluidique 1 représenté sur la figure 7e.
Il est avantageux d'éviter le mouillage des parois extérieures du profilé creux 70 par le métal liquide. Cela peut être réalisé via la conception du moule ou par un autre moyen tel que l'utilisation d'un joint résistant au métal liquide. Ce quatrième mode de réalisation permet la réalisation d'un boîtier 2 dont les deux parois principales et la mousse métallique 30 sont obtenues d'un seul tenant si on utilise les noyaux 55A, 55B, 56A et 56B tel que décrit dans le premier mode de réalisation ou la réalisation d'un boîtier 2 dont une seule paroi principale et la mousse métallique 30 sont obtenues d'un seul tenant tel décrit dans le second de réalisation
L'utilisation d'un profilé dont les parois sont partiellement fondues lors de l'étape de coulée est particulièrement avantageuse. En effet, cette fusion locale peut permettre une liaison métallurgique entre la mousse et le profilé et ainsi induire une continuité métallurgique entre la mousse et le profilé et permettre une performance thermique optimale. Il peut ainsi être avantageux d'utiliser un profilé en aluminium.
Des modes de réalisation particuliers viennent d'être décrits. Différentes variantes et modifications apparaîtront à l'homme du métier.
Ainsi, le dispositif fluidique peut ne pas comporter de chambres d'entrée situées de part et d'autre de la mousse métallique. Les orifices d'entrée et de sortie traversent une paroi du boîtier et débouchent alors directement au niveau de la mousse métallique.
Le dispositif fluidique peut comporter des structurations situées au niveau des faces externes des parois du boîtier, ces structurations pouvant améliorer la dissipation de chaleur émise par le composant à refroidir. Ces structurations peuvent, à titre illustratif, se présenter sous la forme d'ailettes de refroidissement.
Le dispositif fluidique peut être soumis à un traitement thermique afin d'améliorer sa résistance mécanique et/ou sa conductibilité thermique. Cette étape de traitement thermique peut être réalisée après le démoulage, avant ou après l'usinage de la pièce moulée. Il peut par exemple consister en un traitement de mise en solution et trempe, optionnellement suivi d'un revenu.
Le dispositif fluidique peut être soumis à un traitement de surface afin d'améliorer sa résistance à la corrosion ou sa tenue à l'abrasion ou toute autre propriété nécessaire à l'utilisation du dispositif.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif fluidique (1), comportant :
- un boîtier (2) comprenant un canal (3) délimité par des parois, dont une première paroi principale (10), le canal (3) s'étendant entre deux orifices, dits d'entrée (4A) et de sortie (4B) ;
- un milieu poreux à pores ouverts en un matériau métallique, dit mousse métallique
(30), situé dans le canal (3) entre lesdits orifices d'entrée (4A) et de sortie (4B) ; caractérisé en ce que la mousse métallique (30) et ladite première paroi principale (10) sont réalisées d'un seul tenant et en un même matériau, et en ce que la mousse métallique (30) présente une distribution spatiale aléatoire des pores.
2. Dispositif fluidique (1) selon la revendication 1, dans lequel la mousse métallique (30) présente une surface spécifique comprise entre 200m2/m3 et 1500m2/m3, une porosité comprise entre 65% et 85%, et une taille moyenne des pores comprise entre 2mm et 8mm.
3. Dispositif fluidique (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la section droite des orifices d'entrée (4A) et de sortie (4B) présente une surface inférieure à celle de la section droite du canal (3).
4. Dispositif fluidique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le boîtier (2) comporte une seconde paroi principale (20) opposée à la première paroi principale (10), délimitant en partie le canal (3), la mousse métallique (30) et ladite seconde paroi principale (20) étant en outre réalisées d'un seul tenant et en un même matériau.
5. Dispositif fluidique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le boîtier (2) comporte une seconde paroi principale (20) opposée à la première paroi principale (10) délimitant en partie le canal (3), ladite seconde paroi principale (20) étant une paroi rapportée, fixée de manière étanche à une paroi latérale (40) du boîtier (2).
6. Dispositif fluidique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le boîtier (2) comporte une paroi latérale (40) s'étendant entre la première paroi principale (10) et une seconde paroi principale (20) opposée à la première paroi (10), et délimitant le canal (3) de manière circonférentielle, la mousse métallique (30) et ladite paroi latérale (40) étant en outre réalisées d'un seul tenant et en un même matériau.
7. Dispositif fluidique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les orifices d'entrée (4A) et de sortie (4B) débouchent dans des chambres creuses (5A, 5B) du canal (3) situées de part et d'autre de la mousse métallique (30) suivant un axe longitudinal du canal (3).
8. Dispositif fluidique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 , dans lequel au moins une paroi de la mousse métallique (30) est en contact avec une paroi d'un profilé (70).
9. Dispositif fluidique (1) selon la revendication 8 dans lequel au moins une partie des parois du profilé et une partie de la mousse métallique sont en continuité métallurgique.
10. Dispositif fluidique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comportant :
- une première mousse métallique (30-1) réalisée d'un seul tenant avec ladite première paroi principale (10) et en un même matériau, et
- une seconde mousse métallique (30-2) réalisée d'un seul tenant avec une seconde paroi principale (20) opposée à la première paroi (10), et en un même matériau, - lesdites première et seconde mousses métalliques (30-1, 30-2) étant assemblées l'une à l'autre par l'intermédiaire d'un collecteur fluidique (6) comportant au moins un conduit de collection s'étendant entre deux extrémités d'entrée (7A) débouchant au niveau desdites première et seconde mousses métalliques (30-1, 30- 2) et une extrémité de sortie (7B) débouchant au niveau de l'orifice de sortie (4B).
11. Dispositif fluidique (1) selon la revendication 10, dans lequel les première et seconde parois principales (10, 20), les première et seconde mousses métalliques (30-1, 30-2) et le collecteur présentent un profil sensiblement circulaire, les parois principales (10, 20) et le collecteur étant assemblés de manière étanche à une paroi latérale (40) circonférentielle du boîtier (2).
12. Dispositif fluidique (1) selon la revendication 10 ou 11, dans lequel l'orifice d'entrée (4A) présente une diamètre adapté à permettre l'introduction d'un fluide de part et d'autre du collecteur (6) de manière à pouvoir s'écouler dans les première et seconde mousses métalliques (30-1, 30-2) avant de rejoindre les extrémités d'entrée (7A) du conduit de collection.
13. Procédé de réalisation d'un dispositif fluidique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel on réalise la mousse métallique (30) et la première paroi principale (10) par moulage, lors d'une même étape de coulée d'un matériau métallique dans un moule (60), au cours de laquelle a lieu une infiltration, par ledit matériau métallique, d'une préforme poreuse (51) destructible située dans une empreinte (65) du moule, ladite étape de coulée étant effectuée par l'application d'une force de pression à la surface dudit matériau métallique de manière à provoquer sa remontée dans le moule (60) et son infiltration dans la préforme (51), ladite préforme (51) étant réalisée en pâte à sel ou à base de silicone.
14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel la préforme (51) est disposée dans une empreinte (65) d'un moule (60) et maintenue à distance d'une face interne (62, 64) d'une chape du moule (60), l'espace séparant ladite face interne (62, 64) et la préforme (51) étant destinée à former la première paroi principale (10).
15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, dans lequel la préforme (51) est intercalée longitudinalement entre deux noyaux (53A, 53B), lesdits noyaux (53A, 53B) étant destinés à former des chambres creuses (5A, 5B) du canal (3).
16. Procédé selon la revendication 13, dans lequel chaque noyau (53A, 53B) comporte une deuxième partie (55A, 55B) destinée à former un orifice d'entrée (4A) ou de sortie (4B), ladite deuxième portion (55A, 55B) s'étendant à partir d'une première partie (54A, 54B) destinée à former l'une desdites chambres creuses (5A, 5B) du canal (3).
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15 dans lequel une paroi latérale de ladite préforme (51) est en contact avec au moins une face intérieure des parois d'un profilé creux (70).
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JPS60162195A (ja) * 1984-01-31 1985-08-23 Tsuchiya Mfg Co Ltd 多層式の熱交換器コア
EP2118328A2 (fr) * 2007-02-16 2009-11-18 Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) Article en métal poreux et procédé de production d'un article en métal poreux
DE202011110243U1 (de) * 2011-11-29 2013-05-08 Gea Wtt Gmbh Wärmeübertragerelement und Wärmeübertrager

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