Brevet FR2850453A1 — publié le 20040730

CALODUC DE TRANSFERT DE CHALEUR ET/OU D'HOMOGENEISATION DE TEMPERATURES SUR UN VEHICULE SPATIAL La présente invention concerne un caloduci de transfert de chaleur 5 et/ou d'homogénéisation de la température, adapté à l'évacuation de la puissance dissipée par des équipements embarqués à bord d'un véhicule spatial et en particulier d'un satellite. L'invention concerne également un dispositif de transfert de chaleur et/ou d'homogénéisation de la température. Lors du fonctionnement en orbite d'un véhicule spatial, un certain 10 nombre d'équipements électriques et électroniques embarqués dissipent une quantité de chaleur, quantité indexée sur le rendement intrinsèque de ces équipements et qui peut s'avérer importante sur certains équipements de forte puissance. Afin de maintenir l'environnement thermique de ces équipements dans des plages de températures compatibles de leur 15 fonctionnement et de leurs performances, il est nécessaire de prévoir un dispositif de transfert de chaleur pour collecter, transporter puis évacuer cette chaleur vers l'espace. Un tel dispositif peut également avoir pour fonction celle d'homogénéiser la température sur une certaine superficie. Un certain nombre de systèmes sont connus actuellement pour 20 effectuer ce transfert de chaleur. Ces systèmes comprennent un dispositif de transport et de répartition de la chaleur ainsi qu'un dispositif de transfert de chaleur par rayonnement. Le principe du dispositif de transport de chaleur est fondé sur l'utilisation d'un fluide circulant entre la zone chaude o la puissance thermique est dissipée, et une zone plus froide o cette puissance 25 thermique absorbée par le fluide est évacuée vers le milieu extérieur par radiation par un ou plusieurs radiateurs fixes ou déployables. Le principe de fonctionnement des dispositifs repose donc sur leur capacité de transport et d'échange ainsi que, pour les systèmes diphasiques, sur les propriétés d'évaporation/condensation du fluide. Le caloduc compte parmi les différents types de dispositifs diphasiques de transport de chaleur connus. Ce système comprend un tube métallique, souvent rigide (en aluminium par exemple), dans lequel circule un fluide caloporteur en condition de saturation (en général de l'ammoniac 5 dans la plupart des applications spatiales), et utilise les propriétés de changement de phase liquide-vapeur ainsi que les propriétés de capillarité des liquides. Ainsi, un caloduc est un système diphasique fermé dans lequel la vapeur créée au niveau de la zone chaude (dite zone d'évaporation) est aspirée vers une zone plus froide (o la pression est moins élevée) et s'y 10 condense sur la paroi métallique du tube. La puissance thermique est absorbée par le fluide caloporteur dans la zone évaporateur sous forme de chaleur latente d'évaporation et retransmise à la zone froide par libération de la chaleur latente par condensation. La phase liquide du fluide utilisé gliss- se déplace le long de la paroi 15 métallique du tube en sens inverse de l'écoulement de la phase vapeur du fluide, qui reste confinée au centre du tube. Ce retour du fluide le long de la paroi est assuré par une structure capillaire (mèche, rainures axiales) reliant les deux extrémités du tube et qui joue à la fois le rôle de pompe capillaire et de séparateur des deux phases liquide-vapeur. Les caloducs à rainures axiales permettent classiquement de transporter la chaleur des équipements dissipatifs vers les radiateurs avec une capacité de transport allant de 100 W.m à 700 W.m en conditions de vol et une température vapeur de 201C (performances mesurées sans marges industrielles). Or, les futures générations de satellites de télécommunications vont évoluer vers des exigences de dissipation de plus en plus importantes et, en outre, les distances de transport de chaleur entre équipements dissipatifs et radiateurs vont s'amplifier. Le besoin en caloducs évolue donc vers des produits à fortes 30 capacités de transport et de grandes longueurs de caloducs tout en conservant une masse linéique raisonnable (masse de profilé par longueur de caloduc). Il est représenté sur les figures la et lb deux caloducs 1 et 1' de l'art antérieur selon une vue en section droite. Ainsi, un des caloducs à 5 rainures axiales communément utilisés pour les fortes capacités de transport est du type de celui illustré sur la figure la avec un diamètre de 22 mm, démontrant une capacité de transport théorique de 700 W.m en conditions de vol et 500 W.m en conditions sol (4mm de "tilt", ce dernier terme anglosaxon communément utilisé par l'Homme du Métier correspondant à 10 l'inclinaison mesurée du caloduc en conditions sol; il mesure la différence de hauteur entre les deux extrémités du caloduc. La masse linéique de ce profilé est de 620 g/m. Ce premier type de caloducs (fig. la) comprend une enveloppe 2, et est caractérisé par des rainures 3 de section trapézodale. Un tel caloduc est, comme le démontre ses caractéristiques 15 techniques, limité en capacité de transport et sa masse linéique est importante. En outre, il est caractérisé par un défaut thermique mis en évidence en laboratoire: sa conductance thermique radiale est faible. Les niveaux de capacité de transport élevés apparaissent avec des conditions de forts gradients dans la section. Il devient impossible de l'utiliser à des 20 niveaux de puissances maximales pour ne pas dépasser les températures seuil des équipements. L'utilisation du caloduc de la figure la est alors limitée à la valeur industrielle de 340 W.m en conditions de vol pour une température de vapeur de 201C. D'autres profilés de caloducs hautes performances, tels que celui 25 illustré sur la figure 2a, ont été développés avec des rainures 3' à gouttes afin de répondre au besoin de fortes capacités de transport. Des caloducs en développement, utilisant de tels profilés, ont montré des performances variables. Des anomalies de fonctionnement ont été mises en évidence au sol: instabilités de fonctionnement, variabilité des performances au cours du 30 temps, .... Ainsi, ce concept de rainures se montre moins robuste que les rainures rectangulaires et trapézodales. De plus sa fabrication est plus complexe. L'objectif de la présente invention consiste à améliorer les capacités de transport de l'art antérieur pour atteindre des valeurs entre 500 W.m et 5 1 kW.m en vol et obtenir un bilan massique satisfaisant (à savoir, une masse linéique inférieure à ce que propose l'art antérieur). A cet effet, l'invention a donc pour objet un caloduc de transfert de chaleur et/ou d'homogénéisation de températures, une partie de la longueur dudit caloduc étant destinée à être agencée à proximité d'une source de 10 dissipation de chaleur d'un véhicule spatial de manière à collecter la chaleur que la source est capable de dégager, une phase liquide d'un fluide caloporteur circulant en fonctionnement à travers une pluralité de rainures axiales dites principales formées dans la paroi interne du caloduc et en sens inverse de l'écoulement d'une phase vapeur générée par évaporation du 15 fluide au niveau de la zone de dissipation de chaleur, caractérisé en ce qu'au moins une desdites rainures principales comporte une saillie en sa base décomposant ladite rainure en deux sous-rainures secondaires par sa base. Lesdites rainures sont de types axiales, radiales ou possédant un quelconque développement longitudinal. Ainsi, le nouveau concept de l'invention à doubles ou multiples rainures imbriquées permet d'augmenter les performances en termes de capacité de transport sans dégradation des conductances thermiques à l'évaporateur du dispositif de transfert de chaleur. Ce gain de performance est obtenu sans augmentation importante de la masse linéique du profilé. Cette amélioration sur le dispositif permet de répondre à des besoins de dissipations plus importantes sur les plates-formes futures (15 à 20kW) tout en gardant un bilan de masse favorable. Selon un mode de réalisation, au moins l'une des deux sous-rainures comporte une seconde saillie pour décomposer sa propre base en deux sousrainures. Selon un mode de réalisation, ladite rainure comporte plusieurs 5 niveaux de sous-rainures secondaires, chaque niveau correspondant à la décomposition du niveau supérieur, étant entendu que le niveau le plus élevé dans cette arborescence comprend la rainure principale. Le concept de rainures multiples repose sur l'utilisation de plusieurs réseaux de rainures de tailles différentes. Alors que, sur un caloduc à 10 rainures axiales, classique de l'art antérieur, un seul réseau de rainures assure le transport de chaleur, l'invention propose des rainures principales décomposées en plusieurs rainures plus petites, elles-mêmes pouvant faire l'objet de décompositions. Ainsi la structure interne du caloduc peut être composée de plusieurs niveaux de rainures. Les grandes rainures optimisées pour minimiser des pertes de charges liquides assurent la plus grande partie du transport capillaire. Les petites rainures de niveaux inférieurs permettent de prolonger la longueur de transport du caloduc lorsque les ménisques d'interface liquide/vapeur se retirent dans les petites rainures et d'assurer une bonne conductance 20 thermique dans la zone d'évaporation en permettant de garder un nombre de points d'accrochage de ménisques liquides important. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre illustratif et nullement limitatif. Dans les figures suivantes: - les figures la et lb représentent schématiquement des caloducs de l'art 30 antérieur, selon une vue en section droite, - la figure 2 représente un caloduc selon un mode de réalisation de l'invention, - les figures 3a à 3c représentent la circulation du fluide liquide tout au long de la longueur du caloduc, les figures 4a à 4c illustrent trois modes de réalisation de rainures principales avec des sous-rainures selon l'invention. Dans toutes ces figures, les éléments remplissant des fonctions identiques portent les mêmes numéros de référence. 10 La figure 2 représente une vue en section droite d'un caloduc 4 selon un mode de réalisation de l'invention. Ce caloduc 4 comporte une structure 2 extrudée et une structure capillaire 5, 5', 6 et 7 destinée à véhiculer un fluide caloporteur selon un mode de transport illustré sur les figures 3a, 3b et 3c. Le principe d'utilisation d'un caloduc est largement étendu et connu de l'Homme du Métier. Celui-ci relie une zone évaporateur d'une zone condenseur.-La zone évaporateur est au voisinage d'une source de chaleur, c'est à dire les équipements dissipateurs de chaleur embarqués à bord d'un satellite, et la zone condenseur se situe à une zone d'évacuation de la 20 chaleur située au niveau d'un panneau d'un radiateur fixe ou déployable. La suite de la description se réfère également aux figures 3a, 3b et 3c. Sur la figure 3a, le fluide 8, à l'état liquide symbolisé par des hachures, se retire de la grande rainure 5 soit à l'évaporation d'une partie du 25 liquide soit à la progression de l'écoulement liquide depuis le condenseur vers l'évaporateur. La vapeur générée par les doubles flèches en traits pleins de la figure 3a, se déplace vers la zone condenseur par le centre du caloduc et en sens inverse du liquide. Les flèches en pointillés représentent le chemins préférentiels de flux dans la structure capillaire solide 5' et 7. Sur la figure 3b, la vapeur est alors condensée en liquide au sein de la zone condenseur, tel que représenté par les flèches pleines de la figure 3b, et revient vers la zone évaporateur via les structures capillaires 5 et 6. Le caloduc 4 a une paroi interne 9 qui présente une structure 5 capillaire. Il comporte sur sa paroi interne une pluralité 9 de rainures sur toute la circonférence de la section et celles-ci s'étendant d'un bout à l'autre de la longueur du caloduc. Plus particulièrement, en relation avec la figure 2, le caloduc 4 comprend deux niveaux de rainures, à savoir un niveau de grandes rainures 5, dites principales, et un niveau de plus petites rainures 6, 10 dites secondaires. Ainsi, on remarque que chaque rainure principale 5 est décomposée au moyen d'une saillie 7 de différentes géométries possibles (rectangulaires, trapézodales,...), selon ce mode de réalisation, en deux rainures secondaires, formée à partir du centre de la base de la rainure principale. Sur la figure 3c, dans le sens dit du retour capillaire correspondant aux états Et vers E6, les ménisques 10 formés se creusent jusqu'à l'état E2. Cette récession des ménisques 10 résulte d'un équilibre des pressions à l'interface liquide-vapeur. La pression capillaire générée par la courbure de l'interface liquide-vapeur dans la rainure principale 5 doit contrebalancer les 20 pertes de charge dans l'écoulement liquide et l'écoulement vapeur de part et d'autre de l'interface liquide-vapeur. On arrive ici à l'un des avantages fondamentaux de l'invention. En effet, l'invention tire avantage du principe connu selon lequel l'augmentation de pression capillaire dans la rainure est proportionnelle à la tension 25 superficielle du fluide 8 et inversement proportionnelle au rayon équivalent des ménisques 10. Ainsi, grâce à l'introduction de petites rainures conduisant à la formation de ménisques avec des rayons inférieurs à ceux de l'art antérieur, la pression capillaire qui joue le rôle de force motrice du fluide 8 est amplifiée. A l'état E2, la pression capillaire est maximale pour 30 l'accrochage des ménisques 10 dans la rainure principale 5. La présence des rainures secondaires permet aux ménisques de se creuser davantage en se retirant dans les rainures secondaires (état E3 à état E4). Le rayon capillaire des ménisques diminuant, le pompage capillaire est prolongé. L'état E4 vers l'état E6 correspond au fonctionnement classique d'une rainure de l'art 5 antérieur: les ménisques se creusent jusqu'à atteindre le rayon de courbure minimal dans les rainures secondaires (état E5). La pression capillaire est alors maximale: on atteint la limite capillaire de fonctionnement. A cet état E5, l'augmentation de puissance à transporter engendre l'assèchement des rainures secondaires (état E6). L'invention permet d'utiliser le potentiel capillaire de deux tailles de rainures: les grandes rainures grâce à leur surface liquide importante permettent de limiter les pertes de charge liquide, les petites rainures permettent d'augmenter le terme de pression capillaire maximale. Par ailleurs, la conductance thermique à l'évaporateur est optimisée 15 par la présence des petites rainures. Ces petites rainures tirent l'avantage du principe connu selon lequel les chemins thermiques à l'évaporateur relient la base des rainures aux points d'accroche des ménisques (figure 3a). La décomposition des grandes rainures en petites rainures, permet d'avoir un nombre de points d'accroche de ménisques important. De plus le chemin 20 thermique entre la source de chaleur et l'interface liquide-vapeur est raccourci dans la cas des petites rainures. En outre, la longueur de transport thermique est également amplifiée par rapport à un caloduc qui ne comporterait qu'un réseau de petites rainures 6. Ainsi, les performances en termes de capacité de transport sont 25 augmentées de 35% (estimation d'un modèle hydrodynamique) en conditions de vol pour un caloduc avec des rainures doubles ayant une masse linéique de 20% inférieure au caloduc actuel de diamètre 22 mm. En somme, l'apport inventif et astucieux de l'invention est d'avoir su combiner deux réseaux de rainures, de telle manière à pouvoir conférer au 30 nouveau caloduc selon l'invention les avantages respectifs de chacun d'eux. Les figures 4a à 4c illustrent l'esprit de l'invention selon trois modes de réalisation différents. Alors que la figure 4a représente une rainure principale 5 avec deux 5 sous-rainures 5 tel que les modes de réalisation précédemment décrits, la figure 4b représente une rainure principale 5 avec quatre sous-rainures 5 produites grâce à la formation de trois saillies 7. La figure 4c représente, quant à elle, une rainure principale 5 comportant une saillie 71 principale en sa base décomposant la rainure principale en deux sousrainures 51. Chaque 10 sous-rainure 51 comporte une saillie en sa base la décomposant elle-même en deux sous-rainures 52. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits. Enfin, on pourra remplacer tout moyen par un moyen équivalent sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, les modes de réalisation décrits ont dévoilé le concept des rainures multiples avec des rainures en forme de trapèzes. Le concept peut être appliqué sur des rainures de formes différentes, telles que 20 rectangulaires, triangulaires, circulaires ou en forme de gouttes... Suivant les besoins en puissance, le concept de rainures doubles est adaptable sur tous les diamètres de caloducs. Les niveaux de capacité de transport calculés en conditions de vol sont supérieurs à 700W.m pour des diamètres de caloduc supérieurs à 17mm à la température vapeur de 200C. 25 Le caloduc à doubles rainures couvre les besoins de grandes capacités de transport sur de grandes distances. En outre, les nouvelles techniques d'extrusion permettent aisément de réaliser le concept de caloduc à rainures doubles. REVENDICATIONS 1. Caloduc (4) de transfert de chaleur et/ou d'homogénéisation de températures pour un dispositif de contrôle thermique d'un véhicule spatial, une partie de la longueur dudit caloduc étant destinée à être agencée à 5 proximité d'une source de dissipation de chaleur du véhicule spatial de manière à collecter la chaleur que la source est capable de dégager, une phase liquide d'un fluide (8) caloporteur circulant en fonctionnement à travers une pluralité de rainures (5) axiales principales formées dans la paroi interne (9) du caloduc et en sens inverse de l'écoulement d'une phase 10 vapeur générée par évaporation du fluide au niveau de la zone de dissipation de chaleur, caractérisé en ce qu'au moins une desdites rainures (5) comporte au moins une saillie (7) en sa base décomposant ladite rainure principale en au moins deux sous- rainures (6) secondaires par sa base. 2. Caloduc selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'une des deux sous-rainures comporte une seconde saillie pour décomposer sa propre base en deux sous-rainures. 3. Caloduc selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce ladite rainure comporte plusieurs niveaux de sous-rainures secondaires, chaque 20 niveau correspondant à la décomposition du niveau supérieur, étant entendu que le niveau le plus élevé dans cette arborescence correspond à la rainure principale. 4. Dispositif de contrôle thermique pour véhicule spatial, caractérisé en ce qu'il comporte un caloduc (4) selon l'une des revendications 25 précédentes. 5. Véhicule spatial, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de contrôle thermique selon la revendication 4.