Brevet FR2682747A1 — publié le 19930423

ECHANGEUR DE CHALEUR FAVORISANT LES TRANSFERTS THERMIQUES PAR CONVECTION. L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur utilisés dans les dissipateurs thermiques à effet caloduc et, plus particulièrement, en vue du refroidissement des composants électroniques. On sait qu'un tel dissipateur met en oeuvre, dans un cycle de refroidissement fermé, le changement de phase d'un fluide caloporteur, qui peut être de l'eau, ou pour éviter d'avoir à résoudre des problèmes d'isolation électrique, un diélectrique, tel qu'un produit fluorocarboné et comprend une section évaporateur, dans laquelle le fluide est vaporisé par l'apport thermique de la source à refroidir (composant électronique par exemple) et une section condenseur dans laquelle la chaleur véhiculée par le fluide, qui se trouve lui-même transporté d'une section à l'autre, est évacuée vers un fluide ambiant (air ou fluide en convection naturelle ou forcée). Le fluide caloporteur, une fois condensé, revient vers l'évaporateur. La résistance thermique correspondant au transfert de masse de la vapeur d'une section à l'autre est très faible, si bien que si l'on veut tirer parti de façon optimale des performances inhérentes à ce type de dissi pateur, le problème qui se pose consiste principalement à minimiser les différentes résistances thermiques supplémentaires rencontrées aux diverses interfaces dans le circuit, sans pour cela compromettre le retour des condensats. L'invention a pour objet un échangeur de chaleur qui favorise les transferts thermiques par convection à l'interface métal/fluide ambiant, tout en étant facile à réaliser à bon marché. Cet échangeur est destiné à être utilisé dans un dissipateur à effet caloduc, soit comme condenseur, soit comme évaporateur. En effet, dans le cas où la paroi de l'évaporateur sera en contact direct avec le composant et où celle du condenseur sera au contact de 1 ' air ambiant, c'est seulement pour le condenseur que le transfert thermique par convection sera recherché. S'il s'agit au contraire de refroidir l'air de l'enceinte qui loge les composants pour l'amener à une température proche de celle de l'air ambiant, aussi bien l'évaporateur que le condenseur seront avantageusement constitués par un échangeur conforme à l'invention. Enfin, dans le cas où ladite enceinte devrait être refroidie à une température inférieure à celle de l'air ambiant, la paroi du condenseur étant, à cet effet, mise au contact d'éléments à effet Peltier, c'est seulement l'évaporateur qui pourra être constitué d'un échangeur conforme à l'invention. L'échangeur suivant l'invention est du type à faisceau tubulaire et principalement caractérisé en ce que le profil de la paroi intérieure de chaque tube est agencé pour correspondre à une pluralité de changements brusques du rayon de la section de passage du fluide et que ladite paroi présente en outre des irrégularités de surface. Suivant un mode d'exécution préféré, ladite section présente une pluralité de portions curvilignes inscrites entre deux cercles concentriques de rayons sensiblement différents et dont chacune est munie de stries ou ondulations. Suivant une forme d'exécution avantageuse dans le cas d'un évaporateur, l'enceinte qui loge les tubes définit une pluralité d'étages qui communiquent entre eux par des trop-pleins de façon à distribuer le liquide caloporteur en plusieurs couches de grande surface et de faible épaisseur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après. Au dessin annexé : La figure 1 est une vue en section droite de l'un des tubes d'un échangeur à faisceau tubu laire conforme à l'invention La figure 2 est une vue schématique, en pers pective, d'un exemple de réalisation d'un condenseur utilisant de tels tubes ; et La figure 3 est une vue schématique, en pers pective, d'un exemple de réalisation d'un éva porateur utilisant de tels tubes La figure 4 est une vue schématique, en pers pective, d'un exemple de profilé pour la réali sation d'un condenseur. A la figure 1, on a représenté un tube échangeur dont la section a été conçue de manière à provoquer la génération de turbulences au sein du fluide ambiant qui y circule. A cet effet, le contour intérieur est agencé pour établir des changements de section brusques et importants et la paroi interne est conformée de façon à présenter une certaine rugosité. Dans le mode d'exécution décrit, dans lequel le tube a, par exemple, un diamètre externe de 14 mm, la paroi interne est composée de six portions de surfaces curvilignes égales, inscrites entre deux cercles concentriques ayant respectivement des diamètres de 8 mm et 11 mm et raccordées entre elles par des décrochements situés dans des plans diamétraux faisant entre eux des angles de 60". Le fluide est mis en rotation dans le sens de la flèche par un dispositif non représenté. Chaque portion curviligne est munie de stries, ondulations ou autres irrégularités de surface qui favorisent la génération de tourbillons. Alors qu'un régime d'écoulement laminaire aurait tendance à donner, le long de la paroi à laquelle les filets fluides sont parallèles, des strates de température entre lesquelles les échanges thermiques se feraient principalement par conduction, le régime turbulent provoque la mise en contact des molécules du fluide avec la paroi et une amélioration importante du transfert de chaleur par convection. Un tel tube est réalisable par extrusion et la surface de sa paroi interne est sensiblement plus grande que celle de l'un ou l'autre des deux cylindres entre lesquels elle est inscrite, ce qui favorise en soi les transferts thermiques par convection. La figure 2 représente un échangeur de chaleur constitué par une pluralité de tubes caloducs tels que 1, 2, ... conformes à la figure 1, disposés parallèlement à la direction de circulation du fluide ambiant (par exemple air ventilé), et logés à l'intérieur d'une enveloppe parallélépipédique étanche 3, fermée à ses deux extrémités par deux plaques 4, 5 munies d'orifices 6, 7 permettant le passage des tubes 1, 2, ... et dans laquelle circule le fluide frigorigène. Un tel échangeur de chaleur constituera de préférence la partie condenseur d'un dissipateur thermique à effet caloduc. Dans la section condenseur, les échanges thermiques s'effectuent à la fois par conduction dans les parois constituées d'un métal bon conducteur thermique, tel que l'aluminium ou le cuivre, et par convection et rayonnement. La solution décrite ci-dessus réduit notablement la résistance thermique correspondant à ces échanges, d'une part, en augmentant considérablement la convection, d'autre part, en réduisant les épaisseurs de métal, enfin, en minimisant, par polissage de la surface extérieure des tubes caloducs 1, 2, ..., l'épaisseur du film de liquide caloporteur qui a tendance à se former sur ladite surface extérieure, et même en provoquant la condensation en gouttes". Les tubes 1, 2, ... 3 sont de préférence disposés verticalement, pour favoriser le retour vers l'évaporateur des gouttes de liquide caloporteur par gravité. On notera que, dans l'art antérieur, toute la paroi de 1 'enceinte du caloduc est généralement tapissée d'un milieu poreux destiné à provoquer un effet de capillarité favorable au transport de masse. Cet état de surface, très favorable dans la section évaporateur, présenterait, dans la section condenseur, l'inconvénient de favoriser la formation d'un film liquide nuisible aux échanges thermiques. L'invention permet de s'affranchir de ces inconvénients. A la figure 3, on a représenté la partie évaporateur d'un dissipateur thermique à effet caloduc, utilisable lorsque le milieu ambiant à refroidir est de l'air ou un fluide en convection naturelle ou forcée. Cet évaporateur est constitué d'une pluralité de tubes verticaux tels que 8, 9 dans lesquels circule l'air ou le fluide à refroidir, logés à l'intérieur d'une enceinte parallélépipédique étanche 10, dont les bases sont des plaques horizontales 11, 12 munies d'orifices tels que 13, 14 de passage des tubes. Ces tubes ont avantageusement le même profil interne que celui de la figure 1, mais leur surface externe est striée verticalement afin d'augmenter l'effet de capillarité qui favorise le mouillage et le pompage du liquide caloporteur au fur et à mesure de sa vaporisation. L'enceinte 10 est divisée par des planchers tels que 15, 16 en étages servant de réceptacles aux condensats provenant du condenseur et amenés à l'étage supérieur par un dispositif non figuré, jusqu'à un niveau défini par des trop-pleins symbolisés en 17 et 18. Ainsi, le liquide caloporteur remplit les étages inférieurs successifs à partir de l'étage supérieur, tandis que la vapeur remonte, pour être évacuée vers le condenseur, par un dispositif non figuré. Cette distribution du liquide caloporteur fournit une grande surface libre entre le liquide et la vapeur, ce qui favorise la formation des bulles et leur extraction du liquide, l'épaisseur de la couche de liquide susceptible de freiner les bulles de vapeur étant, par ailleurs, réduite. L'échange entre le liquide caloporteur et le fluide à refroidir est également favorisé par la disposition décrite. Selon un mode d'exécution particulierement avantageux de l'invention, l'échangeur est réalisé au moyen de profilés du type de celui représenté figure 4 qui présente une forme générale sensiblement parallélépipédique comportant - une série de canalisations verticales 19, 20 qui tra versent de part en part le profilé, entre sa face supé rieure et sa face inférieure, ces canalisations présen tant alternativement un profil circulaire (canalisations 19) et un profil anguleux, similaire à celui du tube représenté figure 1 (canalisations 20), - une série d'encoches verticales 21 formées sur deux faces latérales opposées du profilé, ces encoches 21 présentant une section telle que la juxtaposition de deux faces latérales appartenant à deux profilés iden tiques, permet d'obtenir une succession de conduits verticaux présentant une section de passage identique à celle du tube représenté sur la figure 1. De préférence, les canalisations 19 présentent des surfaces intérieures polies de manière à réduire l'épaisseur du film liquide du fluide caloporteur. Cette solution assure un bon compromis entre la surface de condensation, la surface d'échange convectif, la modularité et le temps de montage du condenseur. Revendications 1. Echangeur de chaleur du type à faisceau tubulaire destiné aux dissipateurs thermiques à effet caloduc et favorisant les transferts thermiques par convection, caractérisé en ce que le profil de la paroi intérieure de chaque tube est agencé pour correspondre à une pluralité de changements brusques du rayon de la section de passage du fluide et que ladite paroi présente en outre des irrégularités de surface (figure 1). 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite section présente une pluralité de portions curvilignes inscrites entre deux cercles concentriques de rayons sensiblement différents et dont chacune est munie de stries ou ondulations (figure 1). 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2 et fonctionnant en évaporateur, caractérisé en ce que l'enceinte (10) qui loge les tubes (8-9) définit une pluralité d'étages qui communiquent entre eux par des trop-pleins de façon à distribuer le liquide caloporteur en plusieurs couches de grande surface et de faible épaisseur. 4. Evaporateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits étages sont délimités à l'intérieur de l'enceinte (10) par des planchers (15-16) traversés par les tubes (8-9) et communiquent entre eux par les trop-pleins (17-18). 5. Evaporateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la surface externe des tubes (8-9) est striée verticalement. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2 et fonctionnant en condenseur, caractérisé en ce que les tubes (1-2) dans lesquels circule le fluide caloporteur sont logés verticalement dans une enceinte parallélépipédique étanche (3) et ont une surface extérieure polie. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu Vil comprend au moins deux profilés, de forme générale parallélépipédique présentant - une série de canalisations verticales (19) qui traver sent de part en part le profilé entre une face supé rieure et une face inférieure, ces canalisations pré sentant alternativement un profil circulaire et un pro fil anguleux comportant une pluralité de changements brusques du rayon de la section de passage du fluide, et - une série d'encoches verticales (21) formées sur deux faces latérales opposées dudit profilé, ces encoches présentant une section telle que la juxtaposition de deux faces latérales appartenant à deux profilés iden tiques permette d'obtenir une succession de conduits verticaux présentant une section de passage analogue à celle du susdit profil anguleux. 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les canalisations à profil circulaire (19) présentent des surfaces intérieures polies.