WO2018192839A1 - Évaporateur à interface de vaporisation optimisée - Google Patents

Évaporateur à interface de vaporisation optimisée Download PDF

Info

Publication number
WO2018192839A1
WO2018192839A1 PCT/EP2018/059450 EP2018059450W WO2018192839A1 WO 2018192839 A1 WO2018192839 A1 WO 2018192839A1 EP 2018059450 W EP2018059450 W EP 2018059450W WO 2018192839 A1 WO2018192839 A1 WO 2018192839A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
thin layer
projections
evaporator
primary wick
base
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/059450
Other languages
English (en)
Inventor
Vincent Dupont
Stéphane Van Oost
Vincent De Troz
Mikael MOHAUPT
Original Assignee
Euro Heat Pipes
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 Euro Heat Pipes filed Critical Euro Heat Pipes
Priority to JP2019556203A priority Critical patent/JP7100665B2/ja
Priority to CN201880034753.0A priority patent/CN110741215B/zh
Priority to EP18717606.0A priority patent/EP3612782B1/fr
Priority to US16/605,791 priority patent/US11300361B2/en
Publication of WO2018192839A1 publication Critical patent/WO2018192839A1/fr

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
    • F28D15/043—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure forming loops, e.g. capillary pumped loops
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
    • F28D15/046—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure characterised by the material or the construction of the capillary structure

Definitions

  • the present invention relates to evaporators, usually used in two-phase working fluid heat transfer systems.
  • This type of evaporator is usually used to cool electronic equipment, such as a processor (CPU, GPU), a power module (IGBT, SiC, Gan etc.), or any other electronic component generating calories, or any other source heat.
  • electronic equipment such as a processor (CPU, GPU), a power module (IGBT, SiC, Gan etc.), or any other electronic component generating calories, or any other source heat.
  • This type of evaporator is used in a system that includes a condenser and return lines for circulating the fluid between the evaporator and the condenser.
  • the known vaporization interfaces do not make it possible to treat a surface thermal flux above 20 Watts / cm 2 because the heat exchange coefficients degrade very strongly with the increase in the heat flux density of the reactor. made of a depression of the vaporization front inside the primary wick. The increase in the number of vapor bubbles inside the wick increases the risk of drying out, that is to say the risk of an interruption of the supply of liquid there, a phenomenon that it should be avoided.
  • the subject of the invention is a capillary evaporator for a heat transfer system, the evaporator comprising:
  • a calorie receiving member (1) comprising a base (10) and a plurality of projections (11), each projection extending from the base to a vertex (12), and whose size decreases with One distance from the base, each projection having side flanks (13),
  • thin layer is meant a layer of thickness less than 1 mm. The inventors have found that advantageously a low thickness associated with the projections contributed to obtaining a good performance.
  • the thin layer of porous material is in contact with the primary wick at a junction zone, at the location where the liquid passes from the primary wick to the thin layer. porous material forming a so-called secondary wick.
  • the fluid in the liquid phase is pumped by capillarity from the primary wick into the thin layer that covers the projections where the vaporization takes place; the exchange surface is increased. Thanks to these arrangements, an evaporation interface is obtained capable of treating a thermal flux greater than 50 Watts / cm 2 , with heat exchange coefficients W / (m 2 K) much higher than those of the prior art and , depending on the different possible configurations the evaporation interface will even be able to process tens or even hundreds of Watts / cm 2 .
  • the heat flow transferred directly to the primary wick is greatly reduced vis-à-vis the total heat flow (it vaporizes mainly on the flanks) and therefore avoids creating a boiling phenomenon in the zone of contact with the primary wick, in other words it avoids the overheating of the primary wick.
  • the parasitic flux transfer is limited both by greatly limiting the penetration of the vaporization front into the primary wick and also by limiting the overheating of the receiving member while promoting the extraction of the vapor created in the channels. dedicated.
  • the thin layer may have a substantially uniform thickness. According to this configuration, a relatively simple manufacturing and assembly method can be provided by using a metallic woven fabric which is intimately connected to the surface of the receiving member.
  • the thin layer may have a non-uniform thickness, the thickest portion (31) of the thin layer being disposed in contact with the primary wick in the vicinity of the apex of each projection, and the thickness (EC) of said thin layer decreasing away from the primary wick.
  • This configuration makes it possible to obtain a better overall performance in terms of power dissipated per unit area.
  • the calorie receiving member may comprise a plate, which corresponds to a planar configuration for the heat source to be cooled.
  • the calorie receiving member may be generally formed as a cylinder, which may correspond to a cylindrical configuration for the heat source to be cooled, which is as common as the flat configuration.
  • This cylindrical configuration is common when using a high pressure fluid, such as ammonia for space applications; in this case one can have a flat sole, usually aluminum, assembled on the outer surface of one cylindrical evaporator.
  • the projections can advantageously be formed in the form of rectilinear section ribs trapezoidal (or even triangular); the calorie receiving member is thus easy to manufacture by extrusion or simple machining (milling). Moreover, such a trapezoidal section allows a robust transmission of the mechanical forces, in particular induced by the compression assembly of the power modules on one evaporator by screwing (which do not allow conventional thin fins which have a substantially constant thickness on their height, especially with copper).
  • each steam channel (4) has a generally triangular section with one of its points directed towards the base of the receiving member. The density of the areas covered by the thin layer is thus maximized and therefore the heat exchanges also, for a given total available area.
  • the projection section forms a symmetrical isosceles trapezoid (ie a "tooth"), with the short side having a length of at most 20% relative to the length of the long side.
  • D3 ⁇ 0.2 W are formed steam channels of sufficient size including their width between the tops of the projections allows a rapid flow of steam without excessive pressure losses.
  • the small side D3 (i.e., the width of the apex) has a dimension ⁇ 0.3 mm.
  • the half aperture angle at the aperture is less than 45 °, and preferably between 5 ° and 30 °. This corresponds to the fact that the height of the H2 projections is greater than 1/2 of their W-grip on the base, which partly explains the increase in efficiency of the exchanges by an increase in the effective surface area.
  • the primary wick is obtained preferentially from a bad thermal conductor material, such as nickel, stainless steel, ceramic or teflon; typically with a thermal conductivity less than 100 W / mK. This avoids heating the liquid located on the other side of the primary wick and strongly limits parasitic thermal leakage.
  • a bad thermal conductor material such as nickel, stainless steel, ceramic or teflon
  • the thin layer is obtained from a good thermal conductor, such as copper or aluminum; typically with a coefficient greater than 100 W / mK and preferably greater than 380 W / mK.
  • the pore diameter of the thin layer is smaller than the pore diameter of the primary wick.
  • liquid supply of the thin layer from the primary wick and inside the thin layer is encouraged from the thickest part of said thin layer.
  • the thickness EC of the thin layer is less than 0.5 mm, preferably wherever the thin layer is in contact with the heat receiving plate 1.
  • the inventors have found that advantageously such a small thickness was enough to get a good performance.
  • the calorie reception plate is not flat (presence of projections 11) contrary to certain embodiments of the prior art.
  • the thickness H1 of the base is between 0.5 and 5 mm. This thickness is adjusted to obtain sufficient rigidity and strength for assembly, for example by screwing, the component to be cooled.
  • the height H2 of the projections is between 0.5 and 3 mm. This height is adjusted to obtain a sufficient passage section for the steam channels to avoid potential problems of loss of loads.
  • the projections are formed in the form of circular ribs. This can be used in the case where the evaporator is in disk form.
  • the projections are formed in the form of a conical stud or a pyramidal stud.
  • the surface efficiency can be further improved and depending on the manufacturing methods used, the cost price of the coated calorie receiving plate can remain reasonable.
  • the thickness E2 of the primary lock is constant and preferably between 1 and 8 mm.
  • Such a simple primary wick is an available and inexpensive material.
  • the top of the projections is in contact with the primary wick on a surface less than 20% of the effective surface of the primary wick.
  • the invention also relates to a heat transfer system comprising an evaporator as described above, a condenser, fluid conduits with either a gravity pumping namely a thermosiphon configuration (including configurations called “pool boiling”) either pumping only capillary or in combination with a jet, or else an evaporator fed by a mechanical pump.
  • a gravity pumping namely a thermosiphon configuration (including configurations called “pool boiling") either pumping only capillary or in combination with a jet, or else an evaporator fed by a mechanical pump.
  • FIG. 1 is a general schematic view of a heat transfer system including an evaporator according to the invention
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view of an evaporator according to a first embodiment, along a sectional plane II-II visible in FIG. 1;
  • FIG. 3 represents a partial schematic perspective view of the evaporator
  • FIG. 4 shows in greater detail a portion of the cross-section illustrating a projection and its porous coating
  • FIG. 5 represents a second embodiment of cylindrical evaporator type (instead of plane),
  • FIG. 6 represents the distribution of the vaporization flow along the side of the projections coated with the thin layer of porous material
  • FIG. 7 represents the heat flow inside the projection as well as the flow of liquid supply along the thin layer
  • FIG. 8 illustrates the arrangement of the steam channels in a horizontal section along a sectional plane VIII-VIII visible in FIG. 2,
  • FIG. 9 is a schematic horizontal sectional view of a stud evaporator which represents another alternative embodiment.
  • FIG. 10 illustrates two alternative embodiments relating to the configuration of the thin layer of porous material.
  • FIG. 1 shows a heat transfer system comprising an evaporator 7 comprising a receiving member 1 which makes it possible to evacuate a flow of calories Qin received by the evaporator 7 from a dissipative component ('hot source') towards a condenser COND can receive these calories and evacuate Qout to a 'cold source' (ambient air, warm or cold water, radiative panel, etc. ).
  • a dissipative component 'hot source'
  • COND condenser COND
  • a steam pipe 8 conveys the steam produced in the evaporator to the condenser.
  • a liquid pipe 9 makes it possible to bring the condensed liquid back into the condenser towards the evaporator 7.
  • the condenser and the pipes are assumed to be known per se and will not be described here in more detail.
  • the evaporator, condenser and lines form a heat transfer loop, which operates either by gravity (thermosiphon) or by capillary pumping, a solution that works both on land and in weightlessness or against an acceleration field (gravity, movement of a vehicle) is still pumping assisted by a mechanical pump.
  • a reservoir RES which serves as an expansion vessel for the liquid (thermal expansion of the liquid and variation of the volume of vapor outside the reservoir); in the case where this tank is present as a separate element, we speak of a loop called 'CPL' (Capillary Pumped Loop).
  • the reservoir function is provided inside the evaporator and in this case we speak of a loop called 'LHP' (Loop Heat Pipe '). In the case of a configuration "thermosiphon" the presence of the tank is not necessary.
  • the evaporator 7 comprises a calorie-receiving member marked 1; in the first example illustrated, it is a plate 1 to which is leaned an element to be cooled (not shown) which provides a stream of calories marked Qin.
  • This plate is provided with a particular structure on the inner side to the evaporator, this will be detailed later.
  • the evaporator 7 in question is a capillary-type evaporator, that is to say it contains a wick, in other words a porous mass, which draws, by capillary action, liquid which is in a liquid compartment 5 in communication with the liquid line 9 and the expansion tank RES.
  • transfer member 1
  • receiving member may also be replaced in some cases by the term “hot plate” or "receiving plate”.
  • the evaporator 7 comprises the above-mentioned hot plate 1, a capillary structure which will be detailed later, the above-mentioned liquid compartment 5 and a cover-case which makes it possible to assemble the whole and to delimit a sealed interior space of the evaporator which hermetically contains the working fluid.
  • the capillary structure comprises a marked primary wick 2 completed by a capillary coating structure which forms a thin layer of porous material (item 3) which will be discussed in more detail below.
  • the hot plate in other words the heat receiving member 1, comprises a base 10 which extends along a YZ plane in 2 directions Y, Z perpendicular to the depth axis denoted X, and a plurality of projections 11, each extending from the base 10 to a vertex 12, with side flanks marked 13.
  • each of said projections 11 decreases with the distance from the base.
  • at least one dimension of the projection 11 decreases as one moves away from the base 10.
  • the lateral flanks 13 are not parallel to each other.
  • the section of the projection in the XY plane (Figs 2 and 4), it has a trapezoidal shape with a wide base of dimension denoted by W and a narrow vertex of dimension denoted D3.
  • the base and the top are parallel, here parallel to the Y axis, and the lateral flanks 13 of the projection extend obliquely with an angle ⁇ relative to the base.
  • a half aperture angle at the apex of between 5 ° and 30 °.
  • the small side D3 will have a size ⁇ 0.3 mm.
  • the projections extend in constant section along the direction Z.
  • voids are formed, formed as grooves 4 and also referred to herein as “vaporization channels. 4 or “steam channels”.
  • the projections 11 are adjacent to each other, each neighboring projections being separated by a steam channel 4; we therefore note a repeating pattern along the Y axis with a pitch corresponding to the dimension W which is none other than the width of the projection 11 at its base.
  • the height of the vaporization channels is marked H2.
  • the projections are formed as rectilinear ribs of trapezoidal section and W represents the pitch / pitch of repetition taken along the Y axis.
  • the primary wick, marked 2 is formed as a thick layer of porous material; in the example illustrated, the thickness E2 of this layer is constant over the entire surface of one evaporator which allows the use of a standard inexpensive product.
  • the thickness E2 of this primary wick it is possible to choose a value of between 1 and 8 mm, preferably of between 2 mm and 5 mm.
  • the primary wick 2 has a front face 20 facing the receiving plate 1, and a rear face 25 in contact with the liquid 5.
  • the primary planar wick can be supplemented by internal walls 28 which forms a rigid structure allowing to strengthen the mechanical strength of one evaporator.
  • These inner walls may be porous or non-porous depending on the possible needs of capillary liquid distribution functions.
  • a material is chosen rather poor thermal conductor such as nickel, stainless steel or Teflon.
  • a material having a thermal conductivity of less than 70 W / mK, preferably less than 20 W / mK, will be chosen.
  • flanks 13 of the projections are coated with a thin layer 3 of porous material.
  • An interface plane P designates a plane parallel to YZ adjacent to the apex 12 of the projections, and which, in the assembled state of the evaporator, also coincides with the front face 20 of the primary wick.
  • flanks 13 of the projections provided with their lining delimit with the front face 20 of the primary wick the passage section of the steam channels 4.
  • its thickness is not constant on the flanks 13 of the projections and preferably varies along the flanks away from the primary wick; the thickest part 31 is disposed in contact with the primary wick, at an interface 23 placed in the plane P adjacent the top of each projection 12, and the thickness EC of said thin layer decreases while moving away from the primary wick, to the vicinity of the bottom 41 of the groove where the end portion of the thin layer 32 identified has a thickness almost zero.
  • the thickness EC of the thin layer is everywhere less than 0.5 mm.
  • an upper limit of thickness EC a value of less than 0.2 x W.
  • the thickness EC is EC1 at the abscissa L1 and decreases when moves along L towards the bottom 41 of the groove, where the thickness EC3 is almost zero or at least significantly finer than the EC1 part, passing through intermediate thicknesses EC2.
  • the bottom of the groove 41 is considered "punctual". In fact, because of machining opposites and / or to facilitate the creation of the thin layer 3, there may be an area not covered by the thin layer 3 whose size is comparable to D3.
  • the thin layer 3 is ideally obtained from a good thermal conductive material, relative to the material constituting the primary wick 2, such as copper, aluminum or nickel, having a thermal conductivity greater than 180 W / mK and preferably greater than 380 W / mK.
  • the pore diameter of the thin layer is smaller than the pore diameter of the wick. primary; This makes it possible to supply the liquid from the primary wick and to promote the release of the steam at the surface of the thin layer.
  • the base 10 of the receiving member has a thickness H1, typically between 0.5 mm and 5 mm.
  • top 12 of the projections is in contact with the primary wick in a plane P on a surface (D3xZ2) less than 20% of the effective surface of the primary wick.
  • the top of the projection 12 and the primary wick are continuously in contact with each other along the direction Z2; in other words, there is no interruption of contact between the top of the projections and the underside of the primary lock.
  • the contact surface between the primary wick and the thin layer, on each side of the section there is a width denoted D1 with
  • D2 typically extends over 10% to 50% of the base width W. It is not excluded to increase up to 80% in the case where the assembly of the primary lock on all Teeth are made with connection fillet (Fig. 10 right). This configuration is interesting in the case of a need for significant mechanical strength or increased drainage of the two-phase liquid.
  • Figures 6 and 7 show the operation of the progressive section vaporization surface (i.e., the thin layer 3 of porous material).
  • the thickness of this projection 11 is important, its effectiveness as a fin is close to 1 and its thermal resistance is at least an order of magnitude lower than that due to the vaporization through the thin layer 3. This is the same, as a first approximation, to consider that the temperature of the trapezoidal wing protection varies little.
  • the thermal resistance of the thin layer, saturated or partially saturated with liquid, is inversely proportional to its thickness, which varies, for example linearly between EC1 and EC3 (FIG. 4).
  • the locally vaporized flow rate in layer 3 follows a curve 61 as illustrated in FIG.
  • the local flow (expressed in W / cm 2 ) is extremely important at the place of smaller thickness EC3, ie at the base of the trapezoidal tooth 11. Due to the proposed geometry, the flux density heat decreases as we approach the contact zone 23 with the primary wick. In the example illustrated, which also corresponds to FIG. 4, at the level of the projection top 12, the heat flux density is divided by 20 with respect to the parietal flow, whereas on the evaporators with straight projection or with reentrant groove of the prior art, devoid of thin layer 3, the heat flux is multiplied by a factor greater than 1.
  • a boiling phenomenon at the interface between the top 12 of the projections and the primary wick 2 is avoided, or very strongly, thus prevented. Thanks to these arrangements, an evaporation interface is obtained capable of treating a higher heat flow. at 50 watts / cm 2 on average on the outer surface of the evaporator.
  • exchange coefficients are achieved thermal of the order of 30 000 W / (m 2 K) or higher (reference: contact surface of the receiving plate).
  • the inventors have been able to observe thermal power transferred per unit area (from the receiving plate) above 110 W / cm 2 .
  • the thin layer makes it possible to transfer a large flow of liquid, much greater than the quantity of liquid vaporized at the top 12 of the tooth; the rate of liquid transfer in the thin layer is illustrated in curve 62; this curve 62 represents the ratio QLid (h) / QLiq (Ll).
  • the abscissa of Figure 7 is the normalized height, ie the h / H2 ratio.
  • H is a variable representing the height relative to the base.
  • H2 is the total height of the projection.
  • the conductive flow QT (h) in the body of the tooth 11, relative to the normalized height, follows the curve marked 63.; this curve 63 represents the ratio QT (h) / QT (0) or expressed QT (h) / QT (L2) if we consider that the abscissa L2 corresponds to the base of the projection.
  • the permeability and the pore distribution of the thin layer 3 are adapted accordingly to allow the vaporization closer to the base 10 in order to limit the vaporization in the primary wick.
  • the thin layer can present, either because manufacturing imperfections, either intentionally, double porosity, ie first areas with larger pores compared to other areas where the pores are smaller; in the same spirit, it is not excluded that there are discontinuities in the thin layer 3 that is to say, grooves or isolated areas devoid of thin layer 3 on the lateral flank 13 of the projection 11 .
  • the proposed trapezoidal section allows a robust transmission of mechanical forces, particularly in compression (assembly of power modules by screwing).
  • the general arrangement of the evaporator is cylindrical.
  • the base 10 is a cylinder receiving the flow Qin, however provisions similar to those already described, mutatis mutandis, are applied for the projections 11, the grooves 4 and the thin layer 3.
  • the primary wick 2 is in the form of a tubular sleeve.
  • the liquid compartment 5 is formed by the central zone of the cylindrical interior space.
  • each of the grooves or each vaporization channel 4 is connected fluidically (in the vapor or liquid phase) to a collector channel 40, itself connected to the outlet of the evaporator (reference Vap_Out) which is connected to the external steam pipe 8.
  • the projections 11 are arranged in the form of a conical stud or a pyramidal stud.
  • the steam channels 4 are then formed by the intervals between the pads. According to an advantageous option, the decreasing thickness from the top of the studs confers the benefits in terms of efficiency already described above.
  • the projections may be formed in the form of circular ribs, in the case of a wafer evaporator or disc.
  • Figure 10 are shown two variants, one on the left side of the figure (10-L) another on the right side of the figure (10-R).
  • the thickness EC of the thin layer is almost constant.
  • a thickness EC of the thin layer of between 0.1 mm and 0.8 mm will be chosen. The operation and the efficiency of such a configuration are quite satisfactory without however being equal to those of the thin layer with decreasing thickness as described above.
  • the thickness of the thin layer decreases rapidly to 0, in other words the groove bottom is not coated with material the base plate is bare .
  • a leave zone 39 as illustrated by a dotted area, which increases the contact area with the primary wick. Indeed we see that the distance denoted Dl 'is substantially greater than the distance denoted Dl.
  • the thickness EC of the thin layer is constant, including in the lower zone 34 and the bottom of the groove 35. Continuing to the left, we find the portion 36 of the same thickness that covers the side of the next tooth.
  • a possible solution for forming such a thin layer of constant thickness is to use a lattice 38 in the form of a matrix metal sheet unidirectional.
  • the mesh is shaped on the projections including on their sides and is in close contact with the receiving member 1.
  • the contact with the lower zone 34 may have a generally triangular section of cavity.
  • the preparation of the primary wick 2 consists of cutting a sheet of porous thickness chosen to the right dimensions, length and width.
  • the receiving member 1 starts from a copper plate (or nickel, stainless steel or aluminum) of thickness H1 + H2 and then proceeds to the formation of grooves and projections by removal of material either by electro-erosion or by conventional machining or by extrusion, stamping or stamping.
  • the thin layer 3 of non-uniform thickness (first embodiment) is formed, for example by atmospheric plasma spraying or by additive manufacturing (3D printing) or by laying a trellis as illustrated above.
  • a diffusion connection makes it possible to bond the two porous surfaces at the plane of contact P.
  • Compression contact assembly is another possible option.
  • the thin layer 3 could also cover the top 12 of the tooth before assembly of the primary wick 2.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

Évaporateur à capillaire pour système de transfert thermique, comprenant un organe de réception (1) des calories comprenant une base (10) et une pluralité de projections (11), chacune s 'étendant à partir de la base jusqu'à un sommet (12), et dont la taille décroît avec l'éloignement par rapport à la base, une mèche primaire (2) en premier matériau poreux avec une face frontale (20) adjacente au sommet des projections, les flancs des projections délimitant avec la mèche primaire des espaces vides formant des canaux de vapeur (4), les flancs des projections étant revêtus d'une couche fine (3) de matériau poreux, avec la partie la plus épaisse (31) disposée au contact de la mèche primaire au voisinage du sommet de chaque projection, et l'épaisseur (EC) de ladite couche fine diminuant en s 'éloignant de la mèche primaire.

Description

Evaporateur à interface de vaporisation optimisée
La présente invention est relative aux évaporateurs , habituellement utilisés dans les systèmes de transfert thermique à fluide de travail diphasique.
Plus précisément, on s'intéresse à l'interface de vaporisation à l'endroit duquel du liquide se transforme en vapeur en absorbant une quantité importante d'énergie calorifique .
Ce genre d ' évaporateur est utilisé habituellement pour refroidir un équipement électronique, comme un processeur (CPU, GPU), un module de puissance (IGBT, SiC, Gan etc.), ou tout autre composant électronique dégageant des calories, ou toute autre source de chaleur.
Ce genre d ' évaporateur est utilisé dans un système qui comprend un condenseur et des conduites aller et retour pour faire circuler le fluide entre 1 ' évaporateur et le condenseur.
La tendance actuelle de l'électronique amène à devoir évacuer des puissances thermiques importantes sur de petites surfaces.
Dans 1 ' évaporateur , on prévoit au niveau de l'interface entre la mèche capillaire (qui amène le liquide) et l'organe ou la plaque de réception/transfert de calories (en contact avec la source chaude primaire qui amène les calories) des espaces vides qui forment des canaux d'évacuation de la vapeur. Ces canaux de vapeur sont aménagés soit dans la mèche capillaire soit dans l'organe de réception des calories. Le plus courant est de prévoir des rainures de section rectangulaire pour former de tels canaux vapeur, comme par exemple enseigné par le document US5725049 [NASA] .
Certains ont essayé d'accroître la capacité thermique en dessinant des canaux vapeur de formes différentes pour accroître la capacité en termes de flux thermique. En effet la présence des canaux vapeur entraine une concentration de la densité de flux de chaleur au contact de la mèche ce qui a conduit les développeurs à privilégier des rainures dites « ré-entrantes » comme par exemple dans le document EP0987509 [Matra Marconi Space] .
D'autres ont essayé de minimiser les fuites thermiques parasites, comme par exemple dans le document US6330907 [Mitsubishi], mais la formation de bulles de vapeur dans la zone de contact avec la mèche n'est pas évitée ce qui menace un bon approvisionnement en liquide vers la zone de vaporisation.
Mais on constate que les interfaces de vaporisation connues ne permettent pas de traiter un flux thermique surfacique au- delà de 20 Watts/cm2 car les coefficients d'échange thermique se dégradent très fortement avec l'accroissement de la densité de flux de chaleur du fait d'un enfoncement du front de vaporisation à l'intérieur de la mèche primaire. L'accroissement du nombre de bulles de vapeur à 1 ' intérieur de la mèche accroît le risque d'assèchement, c'est-à-dire le risque d'une interruption de l'approvisionnement en liquide à cet endroit, phénomène qu'il convient d'éviter.
Or, il s'avère que les besoins sont désormais plus importants c'est pourquoi les inventeurs ont cherché à optimiser l'interface de vaporisation des évaporateurs dans les boucles de transfert thermique à fluide de travail diphasique.
Dans ce but, l'invention a pour objet un évaporateur à capillaire pour système de transfert thermique, 1 ' évaporateur comprenant :
- un organe de réception (1) des calories comprenant une base (10) et une pluralité de projections (11), chaque projection s 'étendant à partir de la base jusqu'à un sommet (12), et dont la taille décroît avec 1 ' éloignement par rapport à la base, chaque projection ayant des flancs latéraux (13),
- une mèche primaire (2) en premier matériau poreux et présentant une face frontale (20) adjacente au sommet des projections, les flancs latéraux des projections délimitant avec la mèche primaire des espaces vides formant des canaux de vapeur (4), caractérisé en ce que les flancs latéraux des projections sont revêtus d'une couche fine (3) de matériau poreux, de préférence d'un second matériau différent du premier matériau.
Par le vocable « couche fine », on entend une couche d'épaisseur inférieure à 1 mm. Les inventeurs ont constaté qu'avantageusement une épaisseur faible associée aux projections concourait à l'obtention d'une bonne performance.
Il faut noter que la couche fine de matériau poreux est en contact avec la mèche primaire au niveau d'une zone de jonction, à l'endroit de laquelle à l'endroit de laquelle transite du liquide depuis la mèche primaire vers par la couche fine de matériau poreux formant une mèche dite secondaire.
Par le vocable « dont la taille décroît avec 1 ' éloignement par rapport à la base», il faut comprendre qu'au moins une dimension de la projection (11) décroît au fur et à mesure que l'on s'éloignait de la base (10) .
Avantageusement, le fluide en phase liquide est pompé par capillarité depuis la mèche primaire jusque dans la couche fine qui revêt les projections à l'endroit duquel la vaporisation a lieu ; la surface d'échange est augmentée. Grâce à ces dispositions, on obtient une interface d ' évaporâtion capable de traiter un flux thermique supérieur à 50 Watts/cm2, avec des coefficients d'échanges thermiques W/ (m2K) bien supérieurs à ceux de l'art connu et, en fonction des différentes configurations possibles l'interface d ' évaporâtion sera même capable de traiter plusieurs dizaines, voire centaines, de Watts/cm2.
Aussi, on remarque que dans la zone du sommet des projections, le flux thermique transféré directement à la mèche primaire est fortement réduit vis-à-vis du flux thermique total (on vaporise principalement sur les flancs) et par conséquent on évite de créer un phénomène d'ébullition dans la zone de contact avec la mèche primaire, autrement dit on évite la surchauffe de la mèche primaire. Ainsi on limite le transfert de flux parasite à la fois en limitant très fortement la pénétration du front de vaporisation dans la mèche primaire et aussi en limitant la surchauffe de l'organe de réception tout en favorisant l'extraction de la vapeur créée dans les canaux dédiés.
Dans divers modes de réalisation de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :
Selon une option, la couche fine peut présenter une épaisseur substantiellement uniforme. Selon cette configuration, on peut prévoir un procédé de fabrication et d'assemblage relativement simple en utilisant une trame tissée métallique qui soit intimement liée à la surface de l'organe de réception.
Selon une option, la couche fine peut présenter une épaisseur non uniforme, la partie la plus épaisse (31) de la couche fine étant disposée au contact de la mèche primaire au voisinage du sommet de chaque projection, et l'épaisseur (EC) de ladite couche fine diminuant en s 'éloignant de la mèche primaire. Cette configuration permet d'obtenir une performance globale meilleure en termes de puissance dissipée par unité de surface.
Selon une option, l'organe de réception des calories peut comporter une plaque, ce qui correspond à une configuration plane pour la source de chaleur à refroidir.
Selon une autre option, l'organe de réception des calories peut être formé généralement comme un cylindre, ce qui peut correspondre à une configuration cylindrique pour la source de chaleur à refroidir, qui se trouve être aussi courante que la configuration à plat. Cette configuration cylindrique est courante lors de l'emploi d'un fluide à haute pression, comme l'ammoniac pour les applications spatiales ; dans ce cas on peut avoir une semelle plane, généralement en aluminium, assemblée sur la surface externe de 1 ' évaporateur cylindrique.
Selon une option, les projections peuvent être avantageusement formées sous forme de nervures rectilignes de section trapézoïdale (voire triangulaire); l'organe de réception des calories est ainsi facile à fabriquer par extrusion ou usinage simple (fraisage) . Par ailleurs, une telle section trapézoïdale permet une transmission robuste des efforts mécaniques, en particulier induits par l'assemblage en compression des modules de puissance sur 1 ' évaporateur par vissage (ce que ne permettent pas les ailettes conventionnelles fines qui présentent une épaisseur sensiblement constante sur leur hauteur, en particulier avec le cuivre) .
Selon une option, les projections sont adjacentes les unes aux autres et chaque canal de vapeur (4) présente une section généralement triangulaire avec une de ses pointes dirigée vers la base de l'organe de réception. La densité des zones recouvertes par la couche fine est ainsi maximisée et par conséquent les échanges thermiques aussi, pour une surface globale disponible donnée.
Selon une option, la section des projections forme un trapèze isocèle symétrique (autrement dit une « dent ») , avec le petit côté ayant une longueur au plus de 20 % par rapport à la longueur du grand côté. Autrement dit D3 < 0,2 W ; ainsi sont formés des canaux vapeur de dimension suffisante notamment leur largeur entre les sommets des projections permet un écoulement rapide de la vapeur sans pertes de charge excessives.
Selon une option, le petit côté D3 (c'est-à-dire la largeur du sommet) a une dimension < 0,3 mm. Les inventeurs ont remarqué que, contrairement aux préjugés de l'homme de l'art, la finesse des sommets n'est pas problématique et est même un avantage si celle-ci est conjuguée avec la présence de la couche fine car elle évite l'apparition de la phase vapeur dans la zone d'approvisionnement en liquide et limite le transfert de flux parasite à travers la mèche primaire.
Selon une option, s 'agissant de la géométrie de la section de la projection, le demi-angle d'ouverture au sommet a est inférieur à 45°, et de préférence compris entre 5° et 30°. Ceci correspond au fait que la hauteur des projections H2 est supérieure à 1/2 de leur emprise W sur la base ce qui explique en partie l'augmentation d'efficacité des échanges par une augmentation de la surface efficace.
Selon une option, la mèche primaire est obtenue préfèrentiellement à partir d'un matériau mauvais conducteur thermique, comme le nickel, l'inox, la céramique ou le téflon ; avec typiquement une conductivité thermique inférieure à 100 W/mK. On évite ainsi de réchauffer le liquide situé de l'autre côté de la mèche primaire et on limite fortement les fuites thermiques parasites.
Selon une option, la couche fine est obtenue à partir d'un bon conducteur thermique, comme le cuivre ou l'aluminium; avec typiquement un coefficient supérieur à 100 W/mK et de préférence supérieur à 380 W/mK.
On favorise ainsi une bonne diffusion de la chaleur dans la couche fine et une bonne répartition des endroits de vaporisation .
Selon une option, le diamètre des pores de la couche fine est inférieur au diamètre des pores de la mèche primaire. On favorise ainsi l'approvisionnement de liquide de la couche fine depuis la mèche primaire et à l'intérieur de la couche fine à partir de la partie la plus épaisse de ladite couche fine.
Selon une option, l'épaisseur EC de la couche fine est inférieure à 0,5 mm, de préférence partout où la couche fine est en contact avec la plaque de réception des calories 1. Les inventeurs ont constaté qu'avantageusement une épaisseur aussi faible suffisait à obtenir une bonne performance. Par ailleurs, on remarque que la plaque de réception des calories n'est pas plate (présence des projections 11) contrairement à certaines réalisations de l'art antérieur.
Selon une option, l'épaisseur Hl de la base est comprise entre 0.5 et 5 mm. On ajuste cette épaisseur pour obtenir une rigidité et une solidité suffisantes en vue de l'assemblage, par exemple par vissage, du composant à refroidir.
Selon une option, la hauteur H2 des projections est comprise entre 0.5 et 3 mm. On ajuste cette hauteur pour obtenir une section de passage suffisante pour les canaux vapeur pour éviter des problèmes potentiels de pertes de charges.
Selon une option, les projections sont formées sous forme de nervures circulaires. Ceci peut être utilisé dans le cas où 1 ' évaporateur se présente sous une forme de disque.
Selon une option, les projections sont formées sous forme de plot conique ou de plot pyramidal. L'efficacité surfacique peut être encore améliorée et suivant les méthodes de fabrication retenues, le prix de revient de la plaque de réception des calories revêtue peut rester raisonnable.
Selon une option, l'épaisseur E2 de la mèche primaire est constante et de préférence comprise entre 1 et 8 mm. Une telle mèche primaire simple est un matériel disponible et peu coûteux. Selon une option, le sommet des projections est au contact de la mèche primaire sur une surface inférieure à 20 % de la surface utile de la mèche primaire.
Par ailleurs, l'invention vise également un système de transfert thermique comprenant un évaporateur tel que décrit ci- dessus, un condenseur, des conduites fluides avec soit un pompage par gravité à savoir une configuration thermosiphon (incluant les configurations dites « pool boiling ») soit un pompage uniquement capillaire ou en combinaison avec un jet, soit encore un évaporateur alimenté par une pompe mécanique.
D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif. L'invention sera également mieux comprise en regard des dessins joints sur lesquels :
- la figure 1 est une vue générale schématique d'un système de transfert thermique incluant un évaporateur selon 1 ' invention, - la figure 2 est une vue en coupe transversale partielle d'un évaporateur selon un premier mode de réalisation, selon un plan de coupe II-II visible à la figure 1,
- la figure 3 représente une vue schématique partielle en perspective de 1 ' évaporateur ,
- la figure 4 représente plus en détail une portion de la coupe transversale illustrant une projection et son revêtement poreux,
- la figure 5 représente un second mode de réalisation de type évaporateur cylindrique (au lieu de plan),
- la figure 6 représente la répartition du flux de vaporisation le long du flanc des projections revêtues de la couche fine de matériau poreux,
- la figure 7 représente le flux de chaleur à l'intérieur de la projection ainsi que le flux d'approvisionnement de liquide le long de la couche fine,
- la figure 8 illustre l'agencement des canaux vapeur dans une coupe horizontale selon un plan de coupe VIII-VIII visible à la figure 2,
- la figure 9 est une vue en coupe horizontale schématique d'un évaporateur à plots qui représente une autre variante de réalisation .
- la figure 10 illustre deux variantes de réalisation concernant la configuration de la couche fine de matériau poreux.
Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. Pour des raisons de clarté de l'exposé, certaines dimensions ne sont pas représentées à l'échelle.
La figure 1 montre un système de transfert thermique comprenant un évaporateur 7 comprenant organe de réception 1 qui permet d'évacuer un flux de calories Qin reçues par 1 ' évaporateur 7 depuis un composant dissipatif ('source chaude') en direction d'un condenseur COND pouvant recevoir ces calories et les évacuer Qout vers une 'source froide' (air ambiant, eau tiède ou froide, panneau radiatif, etc. ...) .
Une conduite vapeur 8 permet d'acheminer la vapeur produite dans 1 ' évaporateur vers le condenseur. Une conduite liquide 9 permet de ramener le liquide condensé dans le condenseur vers 1 ' évaporateur 7. Le condenseur et les conduites sont supposées connus en soi et ne seront pas décrites ici plus en détail. L ' évaporateur , le condenseur et les conduites forment une boucle de transfert thermique, qui fonctionne soit en utilisant la gravité (thermosiphon) soit en utilisant un pompage par capillarité, solution qui fonctionne à la fois sur terre et en configuration d'apesanteur ou contre un champ d'accélération (gravité, mouvement d'un véhicule) soit encore un pompage assisté par une pompe mécanique.
Dans l'exemple illustré à la figure 1, il est représenté un réservoir RES qui sert de vase d'expansion au liquide (dilatation thermique du liquide et variation du volume de vapeur en dehors du réservoir); dans le cas où ce réservoir est présent comme élément séparé on parle d'une boucle dite ' CPL' (Capillary Pumped Loop) . Selon une autre configuration, la fonction réservoir est prévue à l'intérieur de 1 ' évaporateur et dans ce cas on parle d'une boucle dite ' LHP' (Loop Heat Pipe') . Dans le cas d'une configuration « thermosiphon » la présence du réservoir n'est pas nécessaire.
Le fonctionnement de la boucle en général, avec notamment la conduite vapeur, la conduite liquide et le condenseur est connu en soi, il ne sera pas détaillé dans la suite. Dans la suite, la description sera centrée sur 1 ' évaporateur et sa structure interne .
L ' évaporateur 7 comprend un organe de réception des calories repéré 1; dans le premier exemple illustré, il s'agit d'une plaque 1 à laquelle est adossée un élément à refroidir (non représenté) qui apporte un flux de calories repérée Qin. Cette plaque est munie d'une structure particulière du côté intérieur à 1 'évaporateur, ceci sera détaillé plus loin.
L ' évaporateur 7 en question est un évaporateur de type capillaire, c'est-à-dire qu'il contient une mèche, autrement dit une masse poreuse, qui aspire par capillarité du liquide qui se trouve dans un compartiment liquide 5 en communication avec la conduite liquide 9 et le réservoir d'expansion RES .
Il faut noter que, si on se place d'un point de vue plus large que celui de 1 ' évaporateur , le terme « organe de transfert » 1 pourrait être utilisé à la place du terme « organe de réception ». Dans la suite, le terme « organe de réception » pourra aussi être remplacé dans certains cas par le terme « plaque chaude » ou « plaque de réception ».
Structurellement , 1 ' évaporateur 7 comprend la plaque chaude 1 susmentionnée, une structure capillaire qui sera détaillée plus loin, le compartiment liquide 5 susmentionné et un carter- couvercle qui permet d'assembler le tout et de délimiter un espace intérieur étanche de 1 ' évaporateur qui contient hermétiquement le fluide de travail.
Plus précisément, la structure capillaire comprend une mèche primaire repérée 2 complétée par une structure de revêtement capillaire qui forme une couche mince de matériau poreux (repère 3) dont il sera question plus en détails ci-après.
Selon un premier mode de réalisation illustré en particulier aux figures 2 à 4, la plaque chaude, autrement dit l'organe de réception 1 des calories, comprend une base 10 qui s'étend selon un plan YZ selon 2 directions Y, Z perpendiculaires à l'axe de profondeur noté X, et une pluralité de projections 11, chacune s 'étendant à partir de la base 10 jusqu'à un sommet 12, avec des flancs latéraux repérés 13.
Avantageusement, la taille (la dimension) de chacune desdites projections 11 décroît avec 1 ' éloignement par rapport à la base. Autrement dit, au moins une dimension de la projection 11 décroît au fur et à mesure que l'on s'éloignait de la base 10. Autrement dit dans la pratique, les flancs latéraux 13 ne sont pas parallèles entre eux.
Plus précisément, si on considère la section de la projection dans le plan XY (Figs 2 et 4) , celle-ci présente une forme trapézoïdale avec une base large de dimension notée W et un sommet étroit de dimension notée D3. La base et le sommet sont parallèles, ici parallèles à l'axe Y, et les flancs latéraux 13 de la projection s'étendent en oblique avec un angle β par rapport à la base.
En regardant la section, on peut aussi appeler cette projection 11 une « dent ».
Dans l'exemple illustré, il y a une symétrie de la forme trapézoïdale, plus précisément avec une forme de trapèze isocèle symétrique, avec D3 < 0,2 W.
On peut aussi qualifier cette forme de tronconique avec un demi-angle d'ouverture au sommet noté a. On choisit de préférence a < 45°, ou dit autrement β > 45°.
De préférence, on pourra choisir pour demi-angle d'ouverture au sommet a compris entre 5° et 30°.
Selon un exemple de réalisation particulier, le petit côté D3 aura une taille < 0,3 mm.
Comme visible à la figure 3, les projections s'étendent à section constante le long de la direction Z. Ainsi, entre lesdites projections, sont formés des espaces vides, formés comme des rainures 4 et aussi appelés dans le présent contexte « canaux de vaporisation » 4 ou « canaux vapeur ».
Avantageusement, on prévoit que les projections 11 soient adjacentes les unes aux autres, chaque projections voisines étant séparées par un canal vapeur 4 ; on remarque donc un motif à répétition le long de l'axe Y avec un pas (pitch en anglais) correspondant à la dimension W qui n'est autre que la largeur de la projection 11 à sa base.
La hauteur des canaux de vaporisation est repérée H2. Dans cet exemple, les projections sont formées sous forme de nervures rectilignes de section trapézoïdale et W représente le pas/pitch de répétition pris le long de l'axe Y.
La mèche primaire, repérée 2, est formée comme une couche épaisse de matériau poreux ; dans l'exemple illustré, l'épaisseur E2 de cette couche est constante sur toute la surface de 1 ' évaporateur ce qui permet d'utiliser un produit standard bon marché. On peut choisir typiquement pour l'épaisseur E2 de cette mèche primaire une valeur comprise entre 1 et 8 mm, de préférence comprise entre 2 mm et 5 mm.
La mèche primaire 2 présente une face frontale 20 faisant face à la plaque de réception 1, et une face arrière 25 au contact du liquide 5. Optionnellement , la mèche primaire plane peut être complétée par des parois internes 28 ce qui forme une structure rigide permettant de renforcer la tenue mécanique de 1 ' évaporateur . Ces parois internes peuvent être poreuses ou non- poreuses suivant les besoins éventuels de fonctions de distribution de liquide par capillarité.
Il n'est pas exclu d'avoir une mèche primaire d'épaisseur non constante, comme il sera vu plus loin.
Pour cette mèche primaire 2, on choisit de préférence un matériau plutôt mauvais conducteur thermique comme le nickel, l'inox ou le téflon. D'une manière générale on choisira de préférence un matériau ayant une conductivité thermique inférieure à 70 W/mK, de préférence inférieure à 20 W/mK.
Avantageusement selon l'invention, les flancs 13 des projections sont revêtus d'une couche fine 3 de matériau poreux.
Par couche fine, il faut comprendre généralement une couche d'épaisseur inférieure à 1 mm.
On désigne par plan d'interface P un plan parallèle à YZ adjacent au sommet 12 des projections, et qui dans l'état assemblé de 1 ' évaporateur , coïncide aussi avec la face frontale 20 de la mèche primaire.
On note que les flancs 13 des projections munis de leur revêtement délimitent avec la face frontale 20 de la mèche primaire la section de passage des canaux de vapeur 4. Pour en revenir à la couche fine 3 de matériau poreux, selon le premier exemple de réalisation, notamment illustré à la figure 4, son épaisseur n'est pas constante sur les flancs 13 des projections et varie de préférence le long des flancs en s 'éloignant de la mèche primaire ; la partie la plus épaisse 31 est disposée au contact de la mèche primaire, au niveau d'une interface 23 placée dans le plan P au voisinage du sommet de chaque projection 12, et l'épaisseur EC de ladite couche fine diminue en s 'éloignant de la mèche primaire, jusqu'au voisinage du fond 41 de la rainure où la portion d'extrémité de la couche fine repérée 32 présente une épaisseur quasiment nulle.
Avantageusement, l'épaisseur EC de la couche fine est partout inférieure à 0,5 mm.
Selon une autre possibilité, on peut choisir pour limite supérieure d'épaisseur EC une valeur inférieure à 0,2 x W.
Dans une configuration théorique préférée, en partant de l'interface 23 au contact de la mèche primaire 2, on définit un axe L le long du flanc 13 de la projection, l'épaisseur EC vaut EC1 à l'abscisse Ll et diminue lorsque on se déplace selon L vers le du fond 41 de la rainure, où l'épaisseur EC3 est quasi nulle ou à tout le moins notablement plus fine que la partie EC1, en passant par des épaisseurs intermédiaires EC2.
À noter que sur les différentes figures, le fond de la rainure 41 est considéré comme « ponctuel ». En réalité, du fait des contraires d'usinage et/ou pour faciliter la création de la couche fine 3, il peut exister une zone non couverte par la couche fine 3 dont la dimension est comparable à D3.
La couche fine 3 est idéalement obtenue à partir d'un matériau bon conducteur thermique, relativement au matériau constituant la mèche primaire 2, comme le cuivre, l'aluminium ou le nickel, ayant une conductivité thermique supérieure à 180 W/mK et de préférence supérieure à 380 W/mK.
Selon un aspect avantageux, le diamètre des pores de la couche fine est inférieur au diamètre des pores de la mèche primaire ; ce qui permet d'approvisionner le liquide depuis la mèche primaire et favoriser la libération de la vapeur en surface de la couche fine.
La base 10 de l'organe de réception présente une épaisseur Hl, typiquement comprise entre 0,5 mm et 5 mm.
On remarque que le sommet 12 des projections est au contact de la mèche primaire dans un plan P sur une surface (D3xZ2) inférieure à 20 % de la surface utile de la mèche primaire.
Comme visible à la figure 3, le sommet de la projection 12 et la mèche primaire sont continûment au contact l'un de l'autre le long de la direction Z2 ; autrement dit, il n'y a pas d'interruption de contact entre le sommet des projections et la face inférieure de la mèche primaire. Pour ce qui est de la surface de contact entre la mèche primaire et la couche fine, de chaque côté de la section, on a une largeur notée Dl avec
Dl = EC1 / cos (a) .
La surface totale contactée entre la mèche primaire et la plaque de réception revêtue est donc représentée D2 :
D2 = Dl + D3 + Dl
On note que D2 s'étend typiquement sur 10% à 50% de la largeur de base W. Il n'est pas exclu de monter jusqu'à 80% dans le cas où l'assemblage de la mèche primaire sur l'ensemble des dents est réalisé avec des congés de raccordement (Fig. 10 partie droite) . Cette configuration est intéressante dans le cas d'un besoin de tenue mécanique importante ou d'un drainage accru du liquide diphasique.
Par ailleurs, D3 < 0,3 mm.
Par ailleurs, il possible d'avoir D3 = 0, voire un non contact entre la dent et la mèche primaire, à condition d'avoir une épaisseur de couche fine 3 entre le sommet et la mèche primaire 2. Cette configuration permettrait d'augmenter l'effet d'isolation thermique de la zone de transfert liquide entre la mèche primaire et la couche fine.
Les Figures 6 et 7 présentent le fonctionnement de la surface de vaporisation à section progressive (c'est-à-dire la couche fine 3 de matériau poreux) . L'épaisseur de cette projection 11 étant importante, son efficacité en tant qu'ailette est proche de 1 et sa résistance thermique est au moins un ordre de grandeur inférieure à celle due à la vaporisation à travers la couche fine 3. Ce qui revient, en première approximation, à considérer que la température de la pro ection-ailette trapézoïdale varie peu.
La résistance thermique de la couche fine, saturée ou partiellement saturée de liquide, est inversement proportionnelle à son épaisseur qui varie, à titre d'exemple de façon linéaire entre EC1 et EC3 (Fig .4 ) . En conséquence, le débit vaporisé localement dans la couche 3 suit une courbe 61 comme celle illustrée à la Figure 6.
Le débit local (exprimé en W/cm2) est extrêmement important à l'endroit de plus faible épaisseur EC3 c'est-à-dire à la base de la dent trapézoïdale 11. Du fait de la géométrie proposée, la densité de flux de chaleur décroit au fur et à mesure que l'on se rapproche de la zone de contact 23 avec la mèche primaire. Dans l'exemple illustré qui correspond également à la Figure 4, au niveau du sommet 12 de projection, la densité de flux de chaleur est divisée par 20 par rapport au flux pariétal, alors que sur les évaporateurs à projection droite ou bien à rainure réentrante de l'art antérieur, dépourvue de couche fine 3, le flux de chaleur est multiplié par un facteur supérieur à 1.
On évite, ou on limite très fortement, ainsi un phénomène d'ébullition à l'interface entre le sommet 12 des projections et la mèche primaire 2. Grâce à ces dispositions, on obtient une interface d ' évaporâtion capable de traiter un flux thermique supérieur à 50 Watts/cm2 en moyenne sur la surface externe de 1 'évaporateur .
On atteint avantageusement des coefficients d'échange thermique de l'ordre de 30 000 W/ (m2K) ou supérieur (référence : surface de contact de la plaque de réception) .
Les inventeurs ont pu constater des puissances thermiques transférées par unité de surface (de la plaque de réception) au- delà de 110 W/cm2.
Sur la Figure 7, on voit que la couche fine permet de transférer un débit important de liquide, très supérieur à la quantité de liquide vaporisé au niveau du sommet 12 de la dent; le taux de transfert de liquide dans la couche fine est illustré sur la courbe 62 ; cette courbe 62 représente le ratio QLid(h) / QLiq(Ll) .
L'abscisse de la Figure 7 est la hauteur normalisée, c'est-à- dire le ratio h/H2. H est une variable représentant la hauteur par rapport à la base. H2 est la hauteur totale de la projection.
Le flux conductif QT (h) dans le corps de la dent 11, par rapport à la hauteur normalisée, suit la courbe repérée 63. ; cette courbe 63 représente le ratio QT(h) / QT ( 0 ) ou exprimé QT(h) / QT(L2) si on considère que l'abscisse L2 correspond à la base de la projection.
On note que la majorité de la puissance thermique transite par la partie inférieure de la dent et par la portion la moins épaisse 32 de la couche fine 3.
Cette proportion et les variations naturelles de l'épaisseur de la couche fine 3 lors de la fabrication ainsi que la présence de défauts peuvent faire varier ces profils. La perméabilité et la distribution des pores de la couche fine 3 sont adaptées en conséquence pour permettre la vaporisation au plus près de la base 10 afin de limiter la vaporisation dans la mèche primaire. De même il est possible de faire varier l'épaisseur de la couche fine de façon non linéaire pour améliorer les propriétés hydrauliques et/ou thermiques. La variation linéaire n'est qu'un cas illustratif et simplifié de la présente invention.
On remarque que la couche fine peut présenter, soit du fait des imperfections de fabrication, soit intentionnellement, une double porosité, à savoir des premières zones avec des pores plus grands comparés à d'autres zones ou les pores sont plus petits ; dans le même esprit, il n'est pas exclu qu'il y ait des discontinuités dans la couche fine 3 c'est-à-dire des rainures ou des zones isolées dépourvues de couche fine 3 sur le flanc latéral 13 de la projection 11.
Par ailleurs, on remarque que s 'agissant de l'assemblage de l 'évaporateur, la section trapézoïdale proposée permet une transmission robuste des efforts mécaniques, en particulier en compression (assemblage des modules de puissance par vissage) .
Selon un autre mode de réalisation représenté à la figure 5, la disposition générale de 1 ' évaporateur est cylindrique. La base 10 est un cylindre recevant le flux Qin, toutefois on applique des dispositions similaires à celles déjà décrites, mutatis mutandis, pour les projections 11, les rainures 4 et la couche fine 3. La mèche primaire 2 se présente comme un manchon tubulaire. Le compartiment liquide 5 est formé par la zone centrale de l'espace intérieur cylindrique. Le fonctionnement au niveau de l'interface de vaporisation et les avantages conférés par la couche fine ne sont pas décrits en détail, ils sont tout à fait similaires à ce qui a été décrit précédemment.
En référence à la figure 8, chacune des rainures ou chaque canal de vaporisation 4 est raccordée fluidiquement (en phase vapeur ou liquide) à un canal collecteur 40, lui-même relié à la sortie de 1 ' évaporateur (repère Vap_Out ) qui est raccordée à la canalisation vapeur 8 externe.
Selon un autre exemple de réalisation représenté à la figure 9_, selon un plan de coupe analogue à celui de la figure 8, les projections 11 sont agencées sous forme de plot conique ou de plot pyramidal. Les canaux vapeur 4 sont alors formés par les intervalles entre les plots. Selon une option avantageuse, l'épaisseur décroissante à partir du sommet des plots confère les avantages en termes d'efficacité déjà décrite précédemment.
Selon un autre exemple de réalisation non représenté aux figures, les projections peuvent être formées sous forme de nervures circulaires, dans le cas d'un évaporateur en forme de galette ou de disque.
Sur la figure 10, sont représentés deux variantes, une sur la partie gauche de la figure (10-L) une autre sur la partie droite de la figure (10-R) .
Sur la partie droite, selon un autre exemple de réalisation, l'épaisseur EC de la couche fine est quasi constante. D'une manière générale, dans cette configuration, on choisira une épaisseur EC de la couche fine comprise entre 0,1 mm et 0,8 mm. Le fonctionnement et l'efficacité d'une telle configuration sont tout à fait satisfaisants sans toutefois égaler ceux de la couche fine à épaisseur décroissante tel que décrit ci-dessus. Dans une région proche du fond de la rainure (repère 33) , l'épaisseur de la couche fine diminue rapidement jusqu'à 0, en d'autres termes le fond de rainure n'est pas revêtu de matériau la plaque de base est nue.
Dans la partie au contact avec la mèche primaire, il peut être prévu une zone de congé 39 comme illustré par une zone représentée en pointillé, ce qui permet d'augmenter la surface de contact avec la mèche primaire. En effet on voit que la distance notée Dl' est substantiellement supérieure à la distance notée Dl .
Sur la partie gauche 10L, selon un autre exemple de réalisation, l'épaisseur EC de la couche fine est constante, y compris en zone basse 34 et au fond de la rainure 35. En poursuivant vers la gauche, on trouve la portion 36 de la même épaisseur qui recouvre le flanc de la dent suivante.
Une solution possible pour former une telle couche fine d'épaisseur constante (FIG. 10, coté yL') est d'utiliser un treillis 38 sous forme d'une feuille métallique à matrice unidirectionnelle. Le treillis est conformé sur les projections y compris sur leurs flancs et se retrouve en contact intime avec l'organe de réception 1.
Pour ce processus d'assemblage particulier, le contact avec la zone basse 34 peut présenter une cavité de section globalement triangulaire.
Concernant le procédé de fabrication, et de façon non exhaustive, la préparation de la mèche primaire 2 consiste à découper une nappe de poreux d'épaisseur choisie aux bonnes dimensions, longueur et largeur. Pour l'organe de réception 1, on part d'une plaque de cuivre (ou de Nickel, d'inox ou d'aluminium) d'épaisseur H1+H2 puis on procède à la formation des rainures et des projections par enlèvement de matière, soit par électro-érosion soit par usinage conventionnel ou encore par extrudage, emboutissage ou par matriçage.
Puis on forme la couche fine 3 à épaisseur non uniforme (premier mode de réalisation) , par exemple, par projection de plasma atmosphérique ou par fabrication additive (impression 3D) ou par pose d'un treillis comme illustré plus haut. Un assemblage par diffusion permet de lier les deux surfaces poreuses au niveau du plan de contact P .
Un assemblage par contact sous compression est une autre option possible.
Il faut aussi remarquer que la couche fine 3 pourrait aussi recouvrir le sommet 12 de la dent avant assemblage de la mèche primaire 2.

Claims

REVENDICATIONS
1. Évaporateur à capillaire pour système de transfert thermique, 1 ' évaporateur comprenant :
- un organe de réception (1) des calories comprenant une base (10) et une pluralité de projections (11), chaque projection s'étendant à partir de la base jusqu'à un sommet (12), et dont la taille décroît avec 1 ' éloignement par rapport à la base, chaque projection ayant des flancs latéraux (13),
- une mèche primaire (2) en premier matériau poreux et présentant une face frontale (20) adjacente au sommet des projections, les flancs latéraux des projections délimitant avec la mèche primaire des espaces vides formant des canaux de vapeur (4) ,
caractérisé en ce que les flancs latéraux (13) des projections sont revêtus d'une couche fine (3) de matériau poreux, de préférence d'un second matériau différent du premier matériau.
2. Évaporateur selon la revendication 1, dans lequel la couche fine (3) présente une épaisseur substantiellement uniforme.
3. Évaporateur selon la revendication 1, dans lequel la couche fine (3) présente une épaisseur non uniforme, la partie la plus épaisse (31) de la couche fine étant disposée au contact de la mèche primaire au voisinage du sommet de chaque projection, et l'épaisseur (EC) de ladite couche fine diminuant en s'éloignant de la mèche primaire.
4. Évaporateur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les projections sont formées sous forme de nervures rectilignes de section trapézoïdale.
5. Évaporateur selon la revendication 4, dans lequel les projections sont adjacentes les unes aux autres et chaque canal de vapeur présente une section généralement triangulaire avec la pointe dirigée vers la base de l'organe de réception.
6. Évaporateur selon la revendication 5, dans lequel la section est formée comme un trapèze isocèle symétrique, avec une base W et un petit côté D3 tel que D3 < 0,2 W, et le petit côté D3 a une taille < 0,3 mm.
7. Évaporateur selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel le demi-angle d'ouverture au sommet a est inférieur à 45° et est de préférence compris entre 5° et 30°.
8. Évaporateur selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la mèche primaire (2) est obtenue à partir d'un premier matériau mauvais conducteur thermique, comme la céramique, l'inox ou le téfIon .
9. Évaporateur selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel la couche fine (3) est obtenue à partir d'un second matériau bon conducteur thermique, comme le cuivre, l'aluminium ou le nickel.
10. Évaporateur selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le diamètre des pores de la couche fine (3) est inférieur au diamètre des pores de la mèche primaire (2) .
11. Système de transfert thermique comprenant un évaporateur selon l'une des revendications précédentes, un condenseur, des conduites fluides avec soit un pompage par gravité à savoir une configuration thermosiphon, soit un pompage uniquement capillaire ou en combinaison avec un jet ou un pompage mécanique .
PCT/EP2018/059450 2017-04-18 2018-04-12 Évaporateur à interface de vaporisation optimisée WO2018192839A1 (fr)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019556203A JP7100665B2 (ja) 2017-04-18 2018-04-12 最適化された気化インタフェースを備えるエバポレータ
CN201880034753.0A CN110741215B (zh) 2017-04-18 2018-04-12 具有优化汽化界面的蒸发器
EP18717606.0A EP3612782B1 (fr) 2017-04-18 2018-04-12 Évaporateur à interface de vaporisation optimisée
US16/605,791 US11300361B2 (en) 2017-04-18 2018-04-12 Evaporator having an optimized vaporization interface

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1753365 2017-04-18
FR1753365A FR3065279B1 (fr) 2017-04-18 2017-04-18 Evaporateur a interface de vaporisation optimisee

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018192839A1 true WO2018192839A1 (fr) 2018-10-25

Family

ID=59070886

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2018/059450 WO2018192839A1 (fr) 2017-04-18 2018-04-12 Évaporateur à interface de vaporisation optimisée

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11300361B2 (fr)
EP (1) EP3612782B1 (fr)
JP (1) JP7100665B2 (fr)
CN (1) CN110741215B (fr)
FR (1) FR3065279B1 (fr)
WO (1) WO2018192839A1 (fr)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7444704B2 (ja) 2020-06-04 2024-03-06 古河電気工業株式会社 伝熱部材および伝熱部材を有する冷却デバイス

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI3913312T3 (fi) * 2020-05-19 2023-04-21 Accelsius Llc Lämmönvaihdinlaitteisto sekä lämmönvaihdinlaitteiston käsittäviä jäähdytysjärjestelmiä
US20210396477A1 (en) * 2020-06-18 2021-12-23 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Architecture and Operational Modes of Pump-Augmented Loop Heat Pipe with Multiple Evaporators
TWI767421B (zh) * 2020-11-24 2022-06-11 財團法人金屬工業研究發展中心 熱傳輸系統

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0814785A (ja) * 1994-07-01 1996-01-19 Mitsubishi Cable Ind Ltd 伝熱管
US5725049A (en) 1995-10-31 1998-03-10 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Capillary pumped loop body heat exchanger
EP0987509A1 (fr) 1998-09-15 2000-03-22 Matra Marconi Space France S.A. Dispositif d'échange de chaleur
US6227287B1 (en) * 1998-05-25 2001-05-08 Denso Corporation Cooling apparatus by boiling and cooling refrigerant
US6330907B1 (en) 1997-03-07 2001-12-18 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Evaporator and loop-type heat pipe using the same
WO2006107492A2 (fr) * 2005-03-08 2006-10-12 Mikros Manufacturing, Inc. Condenseur/evaporateur capillaire
US20090314472A1 (en) * 2008-06-18 2009-12-24 Chul Ju Kim Evaporator For Loop Heat Pipe System

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3598180A (en) * 1970-07-06 1971-08-10 Robert David Moore Jr Heat transfer surface structure
WO2003073032A1 (fr) 2002-02-26 2003-09-04 Mikros Manufacturing, Inc. Evaporateur capillaire
US20050022976A1 (en) 2003-06-26 2005-02-03 Rosenfeld John H. Heat transfer device and method of making same
JP4718350B2 (ja) * 2006-03-14 2011-07-06 株式会社フジクラ 蒸発器及びこの蒸発器を使用したループ型ヒートパイプ
WO2012060461A1 (fr) * 2010-11-02 2012-05-10 日本電気株式会社 Dispositif de refroidissement et son procédé de fabrication
JP2012132661A (ja) * 2010-12-01 2012-07-12 Fujitsu Ltd 冷却装置及び電子装置
US8811014B2 (en) * 2011-12-29 2014-08-19 General Electric Company Heat exchange assembly and methods of assembling same
CN102425968B (zh) * 2012-01-04 2014-03-26 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种紧凑型回路热管装置
CN102878845A (zh) * 2012-09-18 2013-01-16 华南理工大学 一种内凹槽多孔强化沸腾微通道结构及制造方法与应用
CN103629963B (zh) 2013-12-16 2015-06-24 华北电力大学 多尺度毛细芯平板环路热管式散热装置
JP5759606B1 (ja) 2014-09-30 2015-08-05 株式会社フジクラ ヒートパイプ
CN105352349B (zh) * 2015-11-27 2017-12-22 华中科技大学 一种二次芯蒸发器及其应用

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0814785A (ja) * 1994-07-01 1996-01-19 Mitsubishi Cable Ind Ltd 伝熱管
US5725049A (en) 1995-10-31 1998-03-10 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Capillary pumped loop body heat exchanger
US6330907B1 (en) 1997-03-07 2001-12-18 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Evaporator and loop-type heat pipe using the same
US6227287B1 (en) * 1998-05-25 2001-05-08 Denso Corporation Cooling apparatus by boiling and cooling refrigerant
EP0987509A1 (fr) 1998-09-15 2000-03-22 Matra Marconi Space France S.A. Dispositif d'échange de chaleur
WO2006107492A2 (fr) * 2005-03-08 2006-10-12 Mikros Manufacturing, Inc. Condenseur/evaporateur capillaire
US20090314472A1 (en) * 2008-06-18 2009-12-24 Chul Ju Kim Evaporator For Loop Heat Pipe System

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7444704B2 (ja) 2020-06-04 2024-03-06 古河電気工業株式会社 伝熱部材および伝熱部材を有する冷却デバイス

Also Published As

Publication number Publication date
EP3612782B1 (fr) 2022-05-11
JP2020516845A (ja) 2020-06-11
EP3612782A1 (fr) 2020-02-26
US11300361B2 (en) 2022-04-12
CN110741215B (zh) 2021-11-02
JP7100665B2 (ja) 2022-07-13
US20200124354A1 (en) 2020-04-23
CN110741215A (zh) 2020-01-31
FR3065279A1 (fr) 2018-10-19
FR3065279B1 (fr) 2019-06-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3612782B1 (fr) Évaporateur à interface de vaporisation optimisée
EP3027994B1 (fr) Evaporateur à assemblage simplifié pour boucle diphasique
EP3207324B1 (fr) Caloduc plat avec fonction reservoir
EP2344827B1 (fr) Dispositif de régulation thermique à réseau de caloducs capillaires interconnectés
EP2711299B1 (fr) Structure thermomécanique adaptée pour un environnement spatial
EP2181301B1 (fr) Dispositif passif de regulation thermique a micro boucle fluide a pompage capillaire
EP2179240B1 (fr) Dispositif passif a micro boucle fluide a pompage capillaire
EP3553445B1 (fr) Caloduc a pompage capillaire a rainures reentrantres offrant un fonctionnement ameliore
EP3355019B1 (fr) Dispositif de refroidissement
FR2599131A1 (fr) Panneau et systeme de transfert thermique a pompage par capillarite
EP0567393B1 (fr) Evaporateur à plaques à hautes performances thermiques fonctionnant en régime d&#39;ébullition nucléée
EP1068481B1 (fr) Dispositif d&#39;echanges thermiques a fluide biphasique actif et procede de fabrication d&#39;un tel dispositif
FR3075339B1 (fr) Echangeur de chaleur avec elements et plaques a texturation de surface
EP3553444B1 (fr) Caloduc a artere a fonctionnement ameliore
EP3027995B1 (fr) Evaporateur à dispositif anti-retour pour boucle diphasique
FR2998095A1 (fr) Module de refroidissement de panneau thermique
FR3080173A1 (fr) Thermosiphon et caloduc pulse de realisation simplifiee
FR3138942A1 (fr) Caloduc de type à pompage capillaire, à rainures réentrantes intégrant au moins un substrat poreux à l’évaporateur.
FR3128278A1 (fr) Module pour la fabrication d’un caloduc a pompe capillaire a rainures réentrantes
FR3138943A1 (fr) Caloduc à section transversale non cylindrique, comprenant un évaporateur à structure d’interface vapeur/liquide améliorée afin d’augmenter la limite d’ébullition.
EP4345575A1 (fr) Procédé de fabrication d&#39;un dissipateur thermique
FR3081214A1 (fr) Evaporateur d&#39;une boucle fluide et boucle fluide comprenant un tel evaporateur
FR2742219A1 (fr) Evaporateur de boucle fluide a pompage capillaire
FR3138687A1 (fr) Echangeur de chaleur
WO2004102100A2 (fr) Plaque d&#39;echange thermique, son procede de fabrication, echangeur de chaleur a plaques correspondant et son utilisation

Legal Events

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

Ref document number: 18717606

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2019556203

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018717606

Country of ref document: EP

Effective date: 20191118