Brevet FR2774318A1 — publié le 19990806

L'invention concerne un procédé de transformation d'une structure en bronze fritté en réseau capillaire activé, ainsi que des tubes thermiques de formes classiques et (ou) de formes nouvelles (figure N" 1 à 4), qui le contient, destinés à l'utilisation dans des. ensembles électroniques pour dissiper la chaleur produite par le fonctionnement de composants, ainsi que dans autres équipements où la chaleur produite en effet secondaire est gênante. Des tubes thermiques d'une grande diversité de formes rectangulaires ou cylindriques, unidirectionnelles ou réversibles, sont produits à ce jour. Etant donné la diversité de leur application en informatique, transport, aéronautique, chaudières de récupération, échangeurs de chaleur, etc., leur développement est en plein essor. Bien que certains brevets couvrent plusieurs catégories ou techniques d'obtention de ces tubes, ils présentent encore de nombreuses problèmes de rendement thermique et de complexité de fabrication, donc de prix. Les tubes thermiques de même type que l'objet de cette invention, sont constitués d'une enveloppe métallique et d'un réseau capillaire qui transporte le fluide caloporteur. Des traitements d'amélioration du mouillage de la structure placée à l'intérieur du tube sont, en règle générale, appliqués pour les deux parties (enveloppe et réseau capillaire). En certains cas, I'enveloppe elle même comporte des canaux ou des rayures qui sert au pompage du fluide caloporteur. Nous avons pris comme modèle (appelé "référence") un tube thermique de forme cylindrique utilisant une réseau capillaire réalisée avec des billes en cuivre, compactées autour d'un canal concentrique nécessaire pour le retour de la vapeur vers la zone de condensation. Ce tube, proposé par une société américaine, est parmi les meilleures réalisations dans le domaine. La présente invention a pour objet un nouveau procédé de fabrication des nouvelles formes des tubes thermiques, avec des réseaux capillaires de forme : "de gouttière" (1), en "X" (2), plate (3) et "en peigne" avec des voies multiples (4). L'élément caractéristique de ce genre de tubes est leur réseau capillaire activé réalisé à partir d'une structure en bronze fritté d'une classe de porosité de 03 à 60 (diamètre des sphères élémentaires de 30 à 600 p) choisie en fonction de caractéristiques souhaitées pour le tube thermique. Ces frittés en bronze sont des produits de série obtenus par un producteur spécialisé, tel que la société "Poral" ou autre de même profil. Les frittés sont activées à l'extérieur de l'enveloppe du tube thermique, qui n'est pas soumise à cette opération. Étant donné la composition du bronze ( Cuivre de 80 à 99 % et Étain de 20-à 1 %) de frittés, un traitement chimique ou (et) thermique différent que celui pratiqué pour le Cuivre en état pur est possible afin d'activer le réseau capillaire. Selon cette invention le traitement chimique est réalisé par la réaction du fritté en bronze avec une solution d'acide nitrique de concentration 10 à 30 % HN03, pendant 5 à 15 minutes. Les réactions d'oxydoréduction suivantes ont lieu 3 Cu + 8 HNO3 3Cu(N03)2 + 4H20 + 2 NO Une partie de cuivre est donc transformée en nitrate de cuivre, soluble dans l'eau, qui s'élimine par simple lavage. 3Sn + 4HN03 + H2O = 3HzSnO3 (acide ss-stanique) 4 NO Une partie de l'étain contenu dans l'alliage en bronze est transformée en acide B-stanique, produit insoluble et stable. qui forme une sorte de protubérances autour de la sphère métallique. Ces protubérances représentent la structure qui confère une propriété de mouillage accru au fritté en bronze ainsi activé. Les deux réactions sont génératrices d'oxyde d'azote. fait qu'impose que le travail soit exécuté dans un endroit bien ventiié. Après un lavage intensif du fritté activé (sous vide, circulation de l'eau, ébullition. etc.), il sera séché à environ 105"C pendant 30 minutes. Une étape supplémentaire pourrait être constituée par un traitement thermique à 450-500aC pendant une heure minimum du fritté en bronze, après le traitement chimique présenté. Ce traitement thermique pourrait être suffisant, sans aucun traitement chimique antérieur, pour des réseaux capillaires dont les performances de transport demandées pour le fluide caloporteur sont modestes. Le degré de mouillage du réseau capillaire influence la capacité de transport du fluide caloporteur du tube thermique, et pour satisfaire ses exigences on pourrait choisir la qualité du fritté et les conditions de traitements chimiques et thermiques. Après un traitement d'activation suivant une de méthodes décrites si dessus, le réseau capillaire actif (6), taillé ou telle que, est introduit dans l'enveloppe (7) et est scellé par des moyens de déformation plastique (étirage, rétreinte, etc.). Ensuite l'enveloppe (7), est fermée et remplie avec le fluide caloporteur. suivant les techniques connues. Le traitement d'activation décrit rende la structure fritté en bronze, apte à un mouillage comparable, voir supérieur à la référence. également, grâce à la modification de certains liaison entre les billes élémentaires du fritté, le réseau devient aisément déformant, en assurant un bon usinage et la confection de formes désirées. Ces qualités peuvent servir à la réduction de la résistance thermique entre l'enveloppe (7) et le réseau capillaire activé (6) et à l'emplacement judicieux de canaux de circulation de fluides (8) dans l'enveloppe (7). Grace aux mêmes qualités, la réalisation de plaques avec plusieurs réseaux de pompage en parallèle (figure N"4 ) et la fixation (5) de composants électroniques à refroidir directement sur l'enveloppe (7), sont également possibles. Deux caractéristiques spécifiques pour le réseau capillaire ont été définies et testées pour la référence et pour plusieurs échantillons en bronze fritté activé selon la présente invention - Débit de transport, égal à la quantité de l'eau transportée par seconde et par unité de surface du réseau poreux, déterminé par pesage (précision 0,01 g), chronométrage et mesure de dimensions du réseau : Q = g/cm2 sec. - Taux de remplissage, égal avec la quantité de l'eau retenue à la saturation du réseau poreux, déterminé par pesage du système sec et après 1 5 minutes de pompage de l'eau et la mesure de dimensions du réseau : T = g/cm3 La ffence (tube proposé par la société américaine), présente les caractéristiques : T = 0,383 g/cm3.et Q 0,0157 g/cm2sec. Par rapport à la référence -une bande de fritté de classe 30 activée pendant 10 minutes dans une solution aqueuse de 30% acide nitrique (HNO3) et puis lavée et séchée, testée dans les même conditions que la référence, présente un taux de remplissage de 0,466 g/cm3 et un débit de transport de 0,0168 g/cm2sec. - une bande de fritté de classe 30 traitée que par voie thermique pendant 2 heures à 500"C, testée dans les mêmes conditions que la référence, présente un taux de remplissage de 0,375 g/cm3 et un débit de transport de 0,01 g/cm2sec. Pour les tubes thermiques objet de la présente invention, deux autres caractéristiques ont été définies, calculées et comparées, avec le tube de référence -taux de surface vapeur (Sv) = la section de circulation de la vapeur /la section intérieure du tube x 100. exprimé en % Cette caractéristique est déterminante pour la capacité de transport de chaleur du tube thermique. -taux de contact entre le réseau capillaire et l'enveloppe (Sc)= surface apparente de contacte du réseau/surface intérieure de l'enveloppe x 100 exprimé en %. Cette caractéristiques joue sur le flux thermique entre l'enveloppe et le réseau capillaire. Le tube de référence présente un Sv de 1 1% et Sc de 100%. Les sections de quelques tubes thermiques, objet de la présente invention, réalisables par le procédé proposé sont représentées dans les figures de N" 1 à 4. Dans la figure N"1 est représentée la section d'un tube thermique réalisé de deux réseaux capillaires (6) emprisonnés dans une enveloppe (7) en cuivre. Les deux réseaux capillaires (6) sont réalisés à partir d'une plaque en bronze fritté et activée selon le procédé proposé. Ensuite, une opération de laminage ou pressage peut assurer la forme finale du réseau capillaire en forme de "gouttière". Les pièces obtenues sont coupées et introduites dans l'enveloppe (7) et scellées par une méthode de déformation plastique telle que l'étirage ou la rétreinte. Cette dernière opération sert à la fixation du réseau et à la réduction des résistances thermiques entre celui ci et l'enveloppe. Le tube est ensuite fermé et rempli avec le fluide caloporteur choisi, par le procédé à vide ou par ébullition. La circulation du liquide caloporteur est réalisée par le réseau capillaire des deux gouttières (6), ou également, a l'extérieur de ceux-ci, par simple ruissellement pendant que la vapeur est dirigée entre la zone d'évaporation et condensation par l'espace vapeur (8). Pour un diamètre intérieur de l'enveloppe de 9 mm., et une épaisseur du réseau capillaire activé de 2 mm., Sv = 30,8% et Sc = 100%. La même procédure de fabrication est appliquée pour le tube présenté dans la figure N"2 ou le réseaux capillaire (6) est en forme de "X" (deux "V", opposés) et installé dans l'enveloppe (7). L'espace vapeur (8) est, dans cet exemple, divisé en quatre canaux communiquant par les extrémités de l'enveloppe. Pour le même diamètre de l'enveloppe de 9 mm. et l'épaisseur du réseau capillaire activé de 2 mm., Sv = 42,7% et Sc = 28,3%. La figure N"3 représente la section d'un tube thermique plat, réalisé par un réseau capillaire de section rectangulaire (6), emprisonné dans une enveloppe (7). La forme du tube thermique est issue de la déformation par écrasement de l'enveloppe cylindrique, sur le réseau capillaire (6), ce qui permet d'avoir deux canaux de circulation de la vapeur entre la zone d'évaporation et condensation (8), un contact intime et une grande surface de contact entre 6 et 7 ainsi que une importante simplicité de réalisation. Pour le même diamètre de l'enveloppe de 9 mm., (avant écrasement) et une épaisseur du réseau capillaire activé de 2 mm., Sv = 34% et Sc = 85,8%. Dans la figure N"4 est représenté une plaque à voies multiples, réalisée à partir d'un réseau capillaire en forme de "peigne" (6) avec plusieurs canaux pratiqués par un procédé de découpe sans bavures (jet d'eau, laser, etc.). Après le traitement d'activation, L'objet de l'invention, le réseau capillaire (6) est emprisonné dans l'enveloppe (7) par brasage ou soudure. Des fixations en cuivre (9) entre les deux faces de la plaque (6), sont réalisables à travers du réseau capillaire (7), percées et taraudées, pour permettre le montage des composants électroniques directement sur la plaque. Pour une plaque de largeur 85 mm qui contient sept branches de réseau capillaire de 8 mm en largeur et 2 mm en épaisseur et l'espace vapeur d'une largeur de 4 mm, Sv = 33,3% et Sc = 66,7% REVENDICATIONS 1. Procédé de transformation d'une structure en bronze fritté en réseau capillaire activé, destiné au pompage du liquide caloporteur dans des tubes thermiques, caractérisé en ce qu'il consiste en -un traitement chimique du fritté en bronze à l'extérieur du tube avec une solution aqueuse de 10 à 30% acide nitrique (H2N03) pendant 5 à 1 5 minutes, -un lavage intensif du réseau capillaire activé : sous vide, par circulation de l'eau ou par ébullition, -un séchage du réseau capillaire activé pendant une heure à 105"C, -un traitement thermique du fritté en bronze ou du réseau capillaire activé à 450-500"C, pendant une heure. 2. Réseaux capillaires, destinés aux tubes thermiques de forme quelconque, obtenus par la mise en oeuvre du procédé selon la revendication NO 1, caractérises par - un débit de transport de l'eau, Q de 0,01 à 0,02 g/cm2sec, -ttR-atrx de remplissage (15 minutes dans l'eau), T = de 0,3 à 0,5 g/cm3 -la modification des liaisons entre les sphères élémentaires de fritté qui confère au réseau capillaire activé, une facilité d'usinage. 3.Tube thermique contenant deux réseaux capillaires selon la revendication 2, caractérisé en ce que les dites réseaux capillaires (6) sont usinés en forme de "gouttière", assurant un taux de contact Sc pratiquement de 100% et un taux surface vapeur Sv supérieur à 30%, I'enveloppe (7) étant scelée sur les reseaux capillaires (6) par déformation plastique. 4. Tube thermique contenant deux réseaux capillaires selon la revendication 2, caractérisé en ce que les dites réseaux capillaires (6) sont usinés en forme de "X" (deux V opposés), divisant l'éspace vapeur en quatre canaux, forme qui assure un taux de contact Sc supérieur à 28% et un taux surface vapeur Sv supérieur à 42%, l'enveloppe (7) étant scellée sur les réseaux capillaires (6) par déformation plastique. 5. Tube thermique contenant un réseau capillaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dite réseau capillaire (6) est usinés en forme plate, assurant un taux de contact Sc de 85% et un taux surface vapeur Sv de 34%, I'enveloppe (7) étant scelée sur le reseaux capillaire (6) par déformation plastique. 6. Tube thermique contenant un réseau capillaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dite réseau capillaire (6) est usiné en forme de "peigne" (fig. N" 4) assurant le pompage du liquide caloporteur avec plusieurs branches parallèles aux espaces de circulation de la vapeur, et scellé dans l'enveloppe (7) par un procédé de brasage ou soudure, forme qui assure un taux de circulation de vapeur Sv supérieur à 33% et un taux de contacte Sc supérieur à 66%, ainsi que la possibilité de montage de fixations (5) de composants électroniques percées ou taraudées entre les deux faces de la plaque. xxxxx