Brevet FR2600073A1 — publié le 19871218

CONTACT THERMIQUE A FORT COEFFICIENT DE TRANSFERT ET APPLICATIONS La présente invention concerne un contact thermique a fort coefficient de transfert entre deux matériaux pouvant avoir des coefficients de dilatation différents. Ces matériaux sont choisis parmi les matériaux carbonés, les céramiques et les métaux ou alliages métalliques. Par matériaux carbonés, on entend essentiellement les carbones et les graphites industriels, les composites carbone-carbone. D'une manière générale, il est connu que de tels matériaux, notamment s'ils ont des coefficients de dilatation différents, peuvent difficile ment être assemblés avec un bon contact thermique, ce qui est dommagea ble pour de nombreuses applications. Ainsi par exemple, dans les dispositifs où l'on a besoin de refroidir un élément en matériau carboné par une circulation d'eau, la fragilité et la porosité du matériau carboné empêche en général le refroidisse ment direct et on est amené à fixer l'élément en matériau carboné un élément métallique. Se posent alors les problèmes de la fixation méca nique et du contact thermique. Pour avoir un contact thermique acceptable, on doit excercer des pres sions de serrage supérieures a 100 kPa. Dans les meilleurs cas, on obtient des coefficients de transfert de l'ordre de 9 x 103 W.m-2.K-1. Ces coefficients de transfert sont très sensibles aux états de surface des éléments et peu reproductibles, ce qui est évidemment très gênant. Lorsque les flux de chaleur a transmettre sont très importants, comme, par exemple, dans les réacteurs de fusion nucléaire type TOKOMAK ou encore dans la coulée continue, du fait des dilatations le contact conductif se dégrade et l'échange de chaleur ne se fait plus que par rayonnement. I1 y a alors un échauffement des pièces important cil peut éventuellement être rédhibitoiie pour leu durée de vie. Une façon de résoudre ce problème est le brasage. Cette solution, très efficace avec certains matériaux, est chère et impose une température d'utilisation inférieure à la température de fusion de la brasure. De plus, pour les matériaux ayant des coefficients de dilatation très différents, il est possible, dans certains cas, de les braser en intercalant une feuille métallique qui accomode les contraintes. Il est alors nécessaire d'avoir recours à des métaux chers et délicats à mettre en oeuvre tels que molybdène, zirconium, etc... Enfin, les cérami- ques telles que carbure et nitrure de silicium sont extrêmement diffiles à braser surtout si elles sont frittées à une densité voisine de la densité théorique. Le but principal de l'invention est de disposer d'un contact thermique plus simple à mettre en oeuvre, plus économique et pouvant etre utilise à haute température -(supérieure à 20000C si les matériaux à assembler le permet-entj. Selon l'invention, le contact thermique à fort coefficient de transfert entre deux matériaux pouvant avoir des coefficients de dilatation différents est caractérisé en ce qu'il est constitué par du graphite expansé comprimé, insére entre lesdits matériaux. Les matériaux à relier thermiquement sont choisis parmi: - les matériaux carbonés : carbones et graphites artificiels tels que carbone vitreux, graphites polycristallins, etc ..., les composites carbone-carbone, - les céramiques telles que carbure de silicium, nitrure de silicium, carbure de bore, carbure de tantale, - les métaux et alliages métalliques Selon l'invention, le contact thermique peut être, par exemple, inseré entre deux matériaux carbonés différents, un matériau carboné et un métal, une céramique et un métal. Le graphite expansé comprimé possède une excellente conductivité thermique dans le plan de compression et une conductibilité thermique beaucoup moins bonne dans la direction perpendiclaire. Mais,il -ossède aussi une bonne élasticité. De ce fait, il permet de garder un contact conductif même pour de fortes déformations thermiques des matériaux. On rappelle que ce type de graphite est obtenu par chauffage brutal de graphite lamellaire, à une température pouvant atteindre 10000C, donnant ainsi un graphite exfolié dont la densité est de l'ordre de 0,01. Ce graphite peut être ensuite comprimé en blocs de densité allant de 0,1 à 0,2 ou laminé en feuilles de 0,5 à 1 mm d'épaisseur, de densité de l'ordre de 1. Différents essais montrent que le coefficient de transfert thermique encre deux surfaces de matériaux pouvant avoir des coefficients de dilatation différents est toujours amélioré lorsque l'on insère du graphite expansé comprimé entre lesdites surfaces. Ce gain dépend de la température, de la pression de serrage des matériaux, de leur état de surface et de leur nature. Le graphite expansé peut, suivant l'invention, être inséré comprimé sous forme de feuille laminée ou comprimée. Il peut également être inséré non comprimé et être comprimé in situ lors de ia mise en place des matériaux. Cette dernière variante est avantageusement utilisée lorsque les surfaces des matériaux ne sont pas planes et /ou très rugueuses. Le graphite expansé peut aussi comporter une charge telle que, par exemple, un métal qui améliore sa conductibilité. Les exemples suivants, donnés à titre indicatif et non limitatifs, illustrant l'invention. Exemple 1. Un disque cyGindriqu de diamètre 50 un et d'épaisseur 15 mm est appliqué sur une surface métallique par appui central. Le graphite (nuance 1346 te la demanderesse) a un coe-ficient de dilatation de 5,5 à 6 x 10-6K-1. Le métal est de l'inox 316L qui a un coefficient de dilatation de 16 x 10-6K-1. Des essais comparatifs sont réalisés à différentes pressions d'application avec la même puissance transmise égale à 75 watts, en utilisant ou non un contact thermique constitué par une feuille de graphite expanse comprimé de densité 1 et d'épaisseur 0,2 mm. Les résultats sont regroupés dans le tableau I ci-apres. Tableau 1 : Pression : 10 : 80 : 120 : en KPa A A en W.m2K1 1,7-x 10 : 1,4 x 10 : 2,2 x B en : W.m-2K-1 2,7 x 104 3,4 x 104 3,6 x 104 A : Coefficient de transfert thermique sans contact thermique en graphite expansé comprimé. B : Coefficient de transfert thermique avec contact thermique selon l'invention. Exemple 2. L'exemple 2 est identique à l'exemple :, 5 la différence près que le graphite est remplacé par un autre graphite (nuance 5890 de la deman deresse) ayant un coefficient de dilatat:- de 4,5 l0-6 K-1 Le tableau 2 ci-après regroupe de manière semblable le résultat des essais faits dans les mêmes conditions que celles de l'exemple 1. Tableau 2 Pression : 10 : 80 : 120 : en kPa : A' en W.m-2.K-1 : 5 x 10 . 6 x 10 : 9 x : B' en W.m-2.K-1 104 : 2 x 104 : 3 x A': Coefficient de transfert thermique sans contact thermique en graphite expansé comprimé. B' Coefficient de transfert thermique avec contact thermique selon l'invention. D'après ces essais, on constate que les coefficients de transfert thermicue avec un contact suivant l'invention sont de l'ordre ou supérieurs à 104W.m.-2.K-1. Avec d'autres couples de matériaux et/ou des conditions différentes, ils atteignent des valeurs de 6 x 104W.m. -2 . Ces valeurs élevées montrent bien l'intérêt de l'invention. L'invention permet ainsi de réaliser des assemblages thermiques divers par le choix du couple des matériaux pouvant avoir des coefficients de dilatation différents. Ces assemblages peuvent notamment constituer: - des tuiles de protection, des limiteurs ou des diverteurs pour réacteurs nucléaires de fusion, - des filières ou des coquilles pour coulée continue. Il est enfin à noter ur dernier avantage de l'invention : le contact thermique n'étant qu'inséré entre les matériaux, les assemblages réalisés pe-ent être aisèment démontés, ce qui peut, :oour certaines applications présenter de l'intérêt. REVENDICATIONS 1. Contact thermique à fort coefficient de transfert entre deux matériaux pouvant avoir des coefficients de dilatation différents caractérisé en ce qu'il est constitué par du graphite expansé comprimé inséré entre lesdits matériaux. 2. Contact thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux matériaux sont choisis parmi les matériaux carbonés, les céramiques et les métaux ou alliages métalliques. 3. Contact thermique selon la revendication 2 caractérisé entre que les deux matériaux sont tous deux des matériaux carbonés. 4. Contact thermique selon la revendication 2 caractérisé en ce que les deux matériaux sont un matériau carboné et un métal ou un alliage métallique. 5. Contact thermique selon la revendication 2 caractérisé en ce que les deux matériaux sont une céramique et un métal ou un alliage métallique. 6. Contact thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le graphite expansé est inséré comprimé sous forme de feuille laminée ou comprimée. 7. Contact thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le graphite expansé est comprimé in situ. 8. Contact thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le graphite expansé. comprimé contient une charge. 9. Contact thermique selon ia revendication 8 caractérisé en ce que la- cha. e est un métal. 10. Assemblage thermique de matériaux pouvant avoir des coefficients de dilatation différents caractérisé en ce qu'il comporte un contact thermique tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications précédentes. 11. Assemblage thermique selon la revendication 10 caractérisé en ce qu'il constitue une tuile de protection pour réacteurs nucléaires de fusion. 12. Assemblage thermique selon la revendication 10 caractérisé en ce qu'il constitue un limiteur ou un diverteur pour réacteurs nucléaires de fusion. 13. Assemblage thermique selon la revendication 10 caractérisé en ce qu'il constitue une filière pour coulée continue. 14. Assemblage thermique selon la revendication 10 caractérisé en ce qu'il constitue une coquille pour coulée continue.