Brevet FR2682746A1 — publié le 19930423

ECHANGEUR DE CHALEUR DESTINE AUX DISSIPATEURS THERMIQUES A EFFET CALODUC ET COMPORTANT UNE STRUCTURE A PLUSIEURS ETAGES D'ECHANGES THERMIOUES. 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 dissipateur, 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 pour dissipateur thermique à effet caloduc, agencé pour procurer une surface de contact particulièrement grande entre le condensat et la vapeur en même temps qu'un faible parcours de la vapeur dans le liquide. L'échangeur suivant l'invention est principalement caractérisé par une structure à étages multiples dans laquelle le liquide caloporteur est distribué en une pluralité de couches relativement minces. L'invention s'applique, soit à des évaporateurs, soit à des condenseurs. Dans la première catégorie d'applications, le condensat est amené à l'étage supérieur de la structure de l'évaporateur et descend de chaque étage à l'étage inférieur contigu au moyen de trop-pleins, tandis que la vapeur remonte en sens inverse vers un dispositif d'évacuation. Un tel évaporateur peut être agencé pour favoriser les échanges thermiques par convection et, dans ce cas, il est du type à faisceau tubulaire décrit dans la demande de brevet français déposé le même jour par la Demanderesse, pour "Echangeur de chaleur favorisant les transferts thermiques par convection.", et plus particulièrement illustré par la figure 3 de ladite demande. Le fluide à refroidir (courant d'air en convection naturelle ou forcée) circule alors dans des tubes verticaux qui traversent les réceptacles du condensat, formés par des planchers étagés à l'intérieur d'une enceinte, lesquels sont munis de trop-pleins. Un évaporateur selon l'invention peut également être agencé pour favoriser les échanges par conduction, par exemple avec un composant électronique appliqué contre l'une de ses parois. I1 se caractérise alors par sa constitution sous la forme d'un bloc métallique parallélépipédique, de préférence une plaque disposée verticalement ou légèrement inclinée par rapport à un plan vertical, muni de logements étagés ouverts sur une grande face qui sera en communication avec un dispositif d'évacuation de la vapeur, lesdits logements étant inclinés par rapport au plan vertical dans un sens propre à retenir une couche relativement mince de condensat et communiquant entre eux par des trop-pleins. Suivant une forme d'exécution plus particulière, lesdits logements forment des couples de lignes horizontales et sont disposés en quinconce, des saignées jouant le rôle de trop-pleins entre chaque couple et le couple inférieur contigu. Dans l'application au condenseur, les logements dont est muni ledit bloc sont inclinés de façon à permettre l'évacuation du condensat par gravité et ne sont pas réunis par des trop-pleins. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui suit, relative à deux exemples d'exécution d'un évaporateur à conduction. Au dessin annexé La figure 1 est une vue en élévation d'un éva porateur à conduction conforme à l'invention que La figure 2 montre en coupe verticale et la figure 3 en coupe horizontale par III-III de la figure 1 ; et La figure 4 est une vue schématique en perspec tive d'une variante d'exécution d'un tel évapo rateur. Aux figures 1 à 3, on a représenté une plaque d'échange thermique destinée à constituer la paroi de base de la section évaporateur d'un dissipateur à caloduc. Dans la vue en élévation de la figure 1, on aperçoit des évidements formant des augets tels que 4, 5, 6, 7, 8, fraisés dans l'épaisseur de la plaque, dont le fond (à l'exception de l'auget rectiligne 8) a le profil curviligne illustré par la figure 3. Ces augets ont une section transversale ayant un contour en U (figure 2) dont l'axe est, par exemple, incliné à 14" par rapport aux parois inférieures de la plaque. A titre d'exemple, cette plaque est en cuivre et a une épaisseur de 16 mm, une hauteur de 60 mm et une longueur de 80 mm, la distance entre le fond des augets et la face en regard étant égale à 2 mm. La plaque est mise en contact par sa face latérale de gauche (figure 2) avec le composant à refroidir. Le condensat est amené, par des moyens non figurés, à sa paroi supérieure et remplit successivement les augets 4 à 7 jusqu'au niveau des trop-pleins, tels que 1 à 3, qui les font communiquer entre eux. Le dernier auget 8 peut se remplir complètement et sert de réserve de condensat. Sur la face latérale de droite de la plaque, une pièce non figurée loge le dispositif d'évacuation de la vapeur. Dans la variante de la figure 4, les augets sont formés par des trous borgnes cylindriques qui peuvent être inclinés ou horizontaux (dans ce dernier cas, c'est la plaque qui sera inclinée pour que les trous forment réceptacles). Ces trous sont alignés par couples de lignes longitudinales telles que 9-10 et 11-12, 13-14 et 15-16, les trous de deux lignes d'un même couple étant disposés en quinconce et les couples de lignes étant séparés par des intervalles égaux à un rayon des trous. Des fraisages tels que 17-18 permettent de constituer des trop-pleins entre les trous d'un couple et ceux du couple inférieur voisin. Un fraisage 19, moins profond que les précédents, permet la collecte de la vapeur vers un orifice 20 en communication avec une évacuation 21. Le condensat est amené, par des moyens non figurés, à travers une entrée 22. Un couvercle, non représenté, recouvre la face avant de la plaque. Le composant à refroidir est placé au contact de sa face arrière. I1 est clair que, dans les évaporateurs des figures 1 à 4, le transfert thermique, qui s'effectue principalement par conduction, entre le métal de la plaque et le liquide à vaporiser, est favorisé par la faible épaisseur du métal et par la grande surface de contact avec le liquide réfrigérant, lequel est réparti au sein de la masse de métal. La vaporisation est favorisée par le fait que la surface libre liquide-vapeur est très importante et que la couche de liquide dans chaque auget est relativement mince, ce qui favorise l'évacuation des bulles de vapeur. La disposition des trous, dans la variante préférée de la figure 4, permet d'en multiplier le nombre, donc d'optimiser les résultats. On notera qu'une structure du même genre, ctest-à-dire constituée d'une plaque munie d'une multiplicité de trous borgnes inclinés constituant des réceptacles pour le condensat, pourra être utilisée pour réaliser un condenseur destiné à favoriser les échanges thermiques par conduction. Dans une telle application, lesdits trous seront toutefois inclinés en sens inverse de celui représenté à la figure 2, les réceptacles dans lesquels pénètre la vapeur pour former le condensat devant en effet être agencés pour que ce dernier s'écoule directement de chaque logement par gravité vers un dispositif d'évacuation situé dans la partie inférieure de la plaque. Les dispositifs de trop-pleins se sont pas prévus et l'intérieur des réceptacles est poli pour limiter l'épaisseur du film liquide. L'agencement selon l'invention procurera alors les mêmes avantages que dans son application à l'évaporateur. Revendications 1. Echangeur de chaleur destiné aux dissipateurs thermiques à effet caloduc, et mettant en oeuvre le changement de phase d'un fluide caloporteur, caractérisé par une structure à étages multiples (4 à 8) dans laquelle les condensats sont distribués en une pluralité de couches relativement minces. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, et fonctionnant en évaporateur, caractérisé en ce que les condensats sont amenés à l'étage supérieur (4) de la structure et descendent de chaque étage à l'étage inférieur contigu au moyen de trop-pleins (1-3-5-6), tandis que la vapeur remonte en sens inverse vers un dispositif d'évacuation. 3. Evaporateur selon la revendication 2, agencé pour favoriser les échanges par conduction, caractérisé en ce qu'il a la forme d'un bloc métallique parallélépipédique, de préférence une plaque disposée verticalement ou légèrement inclinée par rapport au plan vertical, muni de logements (4-7) ouverts sur une grande face et inclinés par rapport au plan vertical dans un sens propre à retenir une couche relativement mince de condensat, lesdits logements constituant lesdits étages. 4. Evaporateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits logements forment des couples de lignes horizontales (9-10 et 11-12 ; 13-14 et 15-16) et sont disposés en quinconce, des saignées (1718) jouant le rôle de trop-pleins entre chaque couple et le couple inférieur contigu. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, et fonctionnant en condenseur, caractérisé en ce qu'il a la forme d'un bloc métallique parallélépipédique, de préférence une plaque disposée verticalement ou légèrement inclinée par rapport au plan vertical, muni de logements (4-7) ouverts sur une grande face, et inclinés de façon à permettre l'évacuation directe du condensat par gravité à partir de chaque logement. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'intérieur des logements a une surface polie.