Brevet FR2803908A1 — publié le 20010720

PROCEDE DE FABRICATION DE DISPOSITIFS DE TRANSFERT THERMIQUE ET DISPOSITIFS OBTENUS PAR CE PROCEDE. L'invention concerne le domaine des procédés de fabrication de dispositifs de transfert thermique entre une source froide et une source chaude. L'invention concerne également ce type de dispositifs. Des dispositifs de ce type sont notamment utilisés pour le contrôle thermique et le refroidissement d'équipements électroniques confinés et/ou embarqués, par exemple sur des plates-formes de satellites de télécommunications ou d'observation de la terre. Ces dispositifs sont utilisés pour réaliser un transfert thermique entre une zone chaude et une zone froide. Ils contiennent généralement un milieu diphasique, c'est-à-dire un fluide susceptible de s'évaporer au niveau de la zone chaude pour former une phase gazeuse, et de condenser dans la zone froide, dans la phase liquide. Ce transfert thermique peut être réalisé sur des distances de type métrique. On connaît déjà des dispositifs thermique à fluide biphasique pour effectuer un transfert thermique entre une source froide et une source chaude utilisés soit en boucle fermée, soit en boucle ouverte. En boucle fermée, ces dispositifs sont utilisés comme caloducs et fonctionnent de manière autonome. Ces dispositifs comportent des canaux capillaires aptes à produire des phénomènes de capillarité sur la phase liquide. Les forces de capillarité agissent alors sur la phase liquide du fluide pour la déplacer de sa zone de condensation vers la zone de vaporisation. La pression gazeuse étant plus grande dans la zone de vaporisation que dans la zone de condensation, on obtient un flux gazeux dans le sens opposé au déplacement de la phase liquide. Les forces de capillarité et de pression, agissent seules comme moteur de la circulation du fluide. En boucle ouverte, le dispositif est utilisé comme évaporateur et une pompe ainsi qu'un condenseur sont intégrés dans la boucle. Pour qu'un tel dispositif soit fonctionnel, le fluide doit arriver sous la forme liquide dans le dispositif et en repartir sous la forme gazeuse, pour être condensé dans un élément différent du circuit. Le document FR 2 735 565, par exemple, présente un dispositif de transfert thermique, constitué de tubes en aluminium, intérieurement striés pour former des canaux capillaires ouverts sur une âme centrale creuse, servant de canal de transport gazeux. Un but de l'invention est d'améliorer les performances des dispositifs de transfert thermique entre une source froide et une source chaude, en terme de conductivité thermique de ces dispositifs, de légèreté, et de rigidité. Ce but est atteint grâce à un procédé de fabrication de dispositifs de transfert thermique entre une source froide et une source chaude, caractérisé par le fait que l'on réalise le dispositif en un matériau composé dont l'un des composants est le béryllium. En effet, le matériau composé constitutif des dispositifs de transfert thermique réalisé selon l'invention, participe au transfert thermique plus efficacement que l'aluminium. De plus, le béryllium ayant une densité de 1,85 est plus léger que l'aluminium, dont la densité est de 2,7, ce qui contribue, directement à la réduction de la masse des dispositifs réalisés grâce au procédé selon l'invention. En outre, le béryllium possède un module d'élasticité très élevé, ce qui permet d'obtenir des dispositifs aussi rigides, voire plus rigides, que ceux de l'art antérieur, avec une moindre quantité de matière, ce qui réduit d'autant la masse. On obtient donc grâce au procédé selon l'invention des dispositifs de transfert thermique ayant des performances accrues par rapport aux dispositifs de l'art antérieur, en terme de conductivité thermique, de légèreté et de rigidité. Avantageusement, le matériau composé présente une teneur en béryllium supérieure à 30% en poids. Selon un autre aspect, l'invention concerne un dispositif de transfert thermique entre une source froide et une source chaude, caractérisé par le fait qu'il est constitué, au moins en partie, d'un matériau composé dont l'un des composants est le béryllium. A titre d'exemple, si l'aluminium est utilisé, l'élaboration de l'alliage conduit à une structure formée de nodules de béryllium noyés dans une matrice d'aluminium quasi pur (Eutectique à 2% de Béryllium). Cette structure particulière confère à l'alliage les propriétés nécessaires pour obtenir les performances visées par l'invention. Un résultat de même ordre est obtenu en chargeant du béryllium métal avec des cristaux d'oxyde de béryllium, ce qui donne un matériau composite à matrice métallique très performant. L'utilisation de tels dispositifs pour le contrôle thermique et le refroidissement des équipements embarqués sur des plates-formes de satellites, est particulièrement avantageuse. En effet, la réduction de la masse du dispositif selon l'invention permet de réduire considérablement le prix de mise en orbite des dispositifs qui en sont équipés, ce prix étant fonction du poids des équipements embarqués. Si le métal complémentaire où la charge du matériau composite sont bien choisis, le procédé selon l'invention peut permettre une réduction de la masse pouvant atteindre 50%. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de l'invention, qui suit. L'invention sera également mieux comprise à l'aide des références au dessin de la figure 1, sur laquelle est représenté schématiquement en perspective, une extrémité longitudinale d'un élément d'un dispositif de transfert thermique conforme à la présente invention. Un exemple non limitatif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention est décrit ci-dessous de manière détaillée. Selon ce mode de réalisation, le procédé selon l'invention comporte - une étape de réalisation d'une barre ou ébauche en matériau composite ; - une étape d'usinage de la barre ou de l'ébauche pour obtenir différents éléments profilés 1 d'un dispositif conforme à la présente invention ; et - une étape d'assemblage de plusieurs éléments profilés 1, usinés à l'étape d'usinage. Selon l'exemple de mise en aeuvre du procédé selon l'invention, présenté ci-dessous, le matériau composé est de l'aluminium-béryllium. L'étape de réalisation d'une ou plusieurs barres ou ébauches est effectuée par la métallurgie des poudres, coulée, laminage, extrusion, etc., selon des méthodes classiques. L'étape d'usinage des éléments profilés 1 est effectuée selon des procédés d'usinage mécanique classiques : électroérosion à fil ou brochage. Le béryllium étant un métal toxique sous forme de poussière, l'environnement de l'atelier d'usinage doit être spécifiquement sécurisé pour protéger les personnes et l'environnement: machines et locaux confinés, contrôles de salubrité etc. L'étape d'assemblage est avantageusement réalisée par emmanchement serré à froid. Selon cette technique bien connue et décrite dans les manuels de technologies (Techniques de l'Ingénieur), on réalise des ajustements complémentaires sur les pièces à assembler, avec un jeu négatif. En chauffant la pièce externe et en refroidissant la pièce interne avec un moyen cryogénique, le différentiel de température ainsi créé rend le jeu positif par le biais du coefficient de dilatation, ce qui permet d'engager les pièces. Après retour à la température uniforme, le jeu redevient négatif assurant l'assemblage par effet de frettage. L'usinage de couteaux (de petites dimensions) sur la pièce interne permet une interpénétration des matières favorisant l'étanchéité. Le jeu négatif initial peut être de 0,4 % des diamètres pour un différentiel de température compris entre 300 et 400 . Une éventuelle soudure par faisceau d'électrons ou au laser permet de parfaire l'étanchéité du montage. Les embouts ou les coudes de raccordement possèdent la même géométrie interne que les éléments profilés 1. Cette géométrie est décrite ci-dessous. Ces embouts ou ces coudes sont réalisées soit dans le même matériau que les éléments profilés 1 soit dans un alliage d'aluminium. Des coudes, embouts et autres pièces d'assemblage sont réalisés par exemple par fraisage ou toute autre méthode industrielle. Les dispositifs constitués des éléments profilés 1, des embouts et/ou des coudes, sont testés en étanchéité et éprouvés en pression, avant d'être chargés en fluide caloporteur. Ce fluide caloporteur est par exemple de l'ammoniac. Les dispositifs ainsi obtenus sont scellés par queusotage, selon une technique classique dans ce type de domaine. Avantageusement, le pourcentage en poids du béryllium dans le matériau est compris entre 30 et 90 %. Plus précisément, il s'agit d'un composite aluminium-béryllium comprenant 38 5 % en poids d'aluminium et 62 5 % en poids de béryllium. Des alliages ou matériaux composites correspondant au matériau composé pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, sont disponibles dans le commerce. A titre d'exemple, nous pouvons citer l'alliage "AlBeM et 162" de la société Brush Welman dont les propriétés utiles sont résumées ci-dessous - densité 2,07 ; - conductivité thermique 194 W/m. k ; - module d'Young 194 Gpa ; - limite élastique 250/550 Mpa. L'un des éléments profilés 1 obtenus par ce procédé décrit précédemment est représenté schématiquement sur la figure 1. Cet élément profilé 1 est principalement constitué d'un cylindre creux. Le conduit interne de ce cylindre constitue un canal central 1 de transport gazeux. La paroi 4 de ce cylindre comporte des rainures 6 s'étendant, en profondeur selon une direction radiale au canal central 2, en longueur, longitudinalement sur la face interne de la paroi 4. Ainsi, le canal central 2 permet la circulation de la phase gazeuse d'un fluide caloporteur biphasique d'une zone d'évaporation vers une zone de condensation et les rainures 6 constituent un réseau de canaux de transport de la phase liquide, de la zone de condensation vers la zone d'évaporation. Quatre ailes 8 s'étendent tangentiellement à la surface externe du cylindre. Ces quatre ailes forment deux paires, dont les deux ailes 8 de chaque paire s'étendent en direction opposée, ces directions étant parallèles à celles de l'autre paire. On a décrit ci-dessus un exemple de procédé de fabrication de dispositifs de transfert thermique, conforme à l'invention, dans lequel le matériau composite est de l'aluminium-béryllium. D'autres matériaux composites à matrice métallique sont susceptibles d'être utilisés, par exemple le béryllium-oxyde de béryllium. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de dispositifs de transfert thermique entre une source froide et une source chaude, caractérisé par le fait que l'on réalise le dispositif en un matériau composé dont l'un des composants est le béryllium. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le pourcentage en poids du béryllium dans le matériau composé est compris entre 30 et 90 %. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le matériau composé est un matériau composite à matrice métallique. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le matériau composé est un alliage de béryllium et d'aluminium. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le matériau composé comprend 38 5 pour-cent en poids d'aluminium et 62 5 pour-cent en poids de béryllium. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le matériau composite comprend du béryllium et de l'oxyde de béryllium. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une étape consistant à usiner le dispositif de transfert thermique par électroérosion d'une barre du matériau composite. 8. Dispositif de transfert thermique entre une source froide et une source chaude, caractérisé par le fait qu'il est constitué, au moins en partie, d'un matériau composé dont l'un des composants est le béryllium. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le pourcentage en poids du béryllium dans le matériau composé est compris entre 30 et 90 %. 10. Dispositif selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé par le fait que le matériau est un matériau à matrice métallique. 11. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé par le fait que le matériau comporte de l'aluminium. 12. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un canal de transport gazeux (2) pour permettre la circulation de la phase gazeuse d'un fluide caloporteur biphasique, d'une zone d'évaporation vers une zone de condensation et au moins un canal de transport en phase liquide (6), pour permettre la circulation de la phase liquide du fluide biphasique, de la zone de condensation vers la zone d'évaporation. 13. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé par le fait qu'il comporte un cylindre creux dont le conduit central forme un canal central (2) de transport gazeux et dont la paroi (4) présente un réseau de canaux de transport en phase liquide (6), chaque canal de transport en phase liquide (6) formant une rainure s'étendant en profondeur, selon une direction radiale au canal central (2), et en longueur, longitudinalement sur la face interne du canal central (2).