Brevet FR3009377A1 — publié le 20150206

Evaporateur à dispositif anti-retour pour boucle diphasique. La présente invention est relative aux évaporateurs 5 pour systèmes de transfert thermique diphasiques à pompage capillaire. Plus particulièrement, l'invention concerne la constitution de tels évaporateurs, en particuliers ceux destinés à évacuer les calories produites généralement par 10 un élément dissipatif, en particulier mais non exclusivement par un processeur électronique ou un dispositif de commutations électroniques quelconque. Le développement des échanges de données par le réseau internet a entrainé un besoin énorme de puissance de 15 calcul et de stockage dans les serveurs permettant de répondre aux besoins des utilisateurs et en particulier ces serveurs sont souvent regroupés dans des centres appelés 'data centers'. Les besoins de refroidissement des cartes 20 électroniques formant les serveurs dans ces 'data centers' ne cessent de croître en raison de la densité toujours plus élevée des processeurs dans ces cartes. Il est connu d'utiliser une circulation d'air ou d'un fluide liquide pour refroidir le processeur d'une 25 carte serveur. La circulation d'un tel fluide requiert l'utilisation d'un ou plusieurs ventilateurs ou d'une ou plusieurs pompes qui peuvent être sujets à des pannes ou tout du moins requiert une maintenance régulière. Il est donc préférable d'utiliser un système passif 30 c'est-à-dire dépourvu de pompe active pour extraire les calories du processeur, ce type de système utilisant un phénomène de pompage capillaire. Un tel système est décrit dans le document US2003/051859 ; cependant la fiabilité de fonctionnement d'un tel évaporateur peut être améliorée, 35 notamment en réponse à des sollicitations de puissance thermique présentant des variations temporelles importantes qui peuvent aller jusqu'à produire un assèchement de la structure capillaire. De plus, la fonction condenseur fait encore appel à un ventilateur et que l'évaporateur placé au-dessus de chaque processeur est complexe à fabriquer et par conséquent couteux. En outre, l'encombrement de l'évaporateur peut être diminué pour faciliter l'intégration sur les cartes électroniques. Il est donc apparu un besoin d'améliorer les performances et de réduire le coût de tels évaporateurs. A cet effet, l'invention propose notamment un évaporateur pour système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire, comprenant : - une plaque de base s'étendant généralement parallèlement à un plan d'interface et destinée à recevoir des calories 15 depuis un élément dissipatif, - un corps avec un fond, des parois latérales et une bordure jointe à la plaque de base pour délimiter ainsi de façon hermétique un espace intérieur de l'évaporateur, - une masse poreuse formant une couche à structure 20 capillaire interposée entre la plaque de base et le fond, qui définit une première chambre délimitée par la plaque de base, les parois latérales et ladite couche de masse poreuse et une deuxième chambre délimitée par le fond, les parois latérales et ladite couche de masse poreuse, 25 la première chambre étant destinée à héberger du fluide caloporteur en phase essentiellement gazeuse, la deuxième chambre étant destinée à héberger du fluide caloporteur en phase essentiellement liquide, et comprend un orifice d'entrée d'évaporateur pour une conduite 30 tubulaire de liquide, caractérisé en ce qu'un dispositif anti-retour est agencé dans la deuxième chambre au niveau de l'orifice d'entrée pour éviter un reflux de liquide par l'orifice d'entrée, de sorte que l'on évite un assèchement de la masse poreuse en cas d'augmentation brutale de la 35 puissance thermique à recevoir. Grâce à ces dispositions, on évite un reflux du liquide depuis l'évaporateur vers le condenseur et fiabilise ainsi le démarrage de la boucle capillaire et on améliore son comportement vis-à-vis de variations brusques de charge thermique. Dans des modes de réalisation du procédé selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - le dispositif anti-retour est formé par une bande flexible qui est disposée pour venir se plaquer contre l'une des parois latérales qui comprend (où se trouve) la bouche de l'orifice d'entrée ; ce qui représente une solution très simple pour former un dispositif anti retour, la bande flexible venant naturellement fermer l'orifice d'entrée ; - la bande flexible est rappelée par sa flexibilité propre (intrinsèque) contre l'orifice d'entrée avec une précontrainte ; moyennant quoi on améliore la fiabilité du dispositif anti retour, l'entrée de liquide devant vaincre la précontrainte subie par la bande flexible et le retour de liquide étant empêché ; - la bande est encadrée par le fond et la masse poreuse avec un jeu inférieur à 15% de sa hauteur selon une direction perpendiculaire au plan d'interface ; de sorte que la bande flexible ne peut que se déplacer parallèlement au plan d'interface, l'encadrement entre le fond et la masse poreuse fournissant un guidage très simple ; - la deuxième chambre présente une forme générale parallélépipédique, le fond et la masse poreuse encadrant parallèlement la bande flexible ; Ce qui autorise un déplacement important de bande flexible à l'intérieur de la deuxième chambre parallèlement au plan d'interface et qui représente une forme de réalisation particulièrement simple et peu coûteuse ; 6- la bande est en acier inox, le corps étant aussi de préférence en acier inox ; moyennant quoi on obtient une très bonne durabilité du dispositif anti retour formé par la bande flexible ; - la bande présente une longueur au moins 10 fois supérieure à sa largeur (i.e. sa 'hauteur'), et la bande présente une largueur au moins 8 fois supérieure à son épaisseur ; de sorte qu'on obtient une bonne flexibilité dans une direction privilégiée, en particulier la flexion dans le plan d'interface P ; - la bande présente une extrémité de fixation et à l'opposé une extrémité libre, l'extrémité de fixation étant fixée à une des parois latérales par un point de soudure ou un encastrement et l'extrémité libre étant agencée à proximité de l'orifice d'entrée ; ce qui constitue un assemblage particulièrement simple pour assembler la bande flexible à l'intérieur de la chambre liquide ; - la paroi latérale où est fixée l'extrémité de fixation est adjacente à paroi latérale où est agencée la bouche de l'orifice d'entrée ; de sorte que l'on obtient une flexion qui crée naturellement une précontrainte, par exemple une flexion de 90°, alors que la bande flexible a tendance à revenir vers une configuration droite. L'invention vise aussi un système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire pour évacuer la chaleur dissipée par un élément dissipatif comprenant un évaporateur tel que décrit ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Sur les dessins : - la figure 1 est une vue générale schématique d'un système de refroidissement à boucle diphasique intégrant un évaporateur selon l'invention, - la figure 2 est une vue générale en perspective d'un dispositif de refroidissement intégrant un évaporateur selon l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un évaporateur selon l'invention, illustrant le dispositif anti retour, - la figure 4 montre une vue de dessous du corps de l'évaporateur de la figure 3, - la figure 5 représente une variante de réalisation de la lame anti-retour, - la Figure 6 illustre plus en détails la bande flexible. Sur les différentes figures, les mêmes références 10 désignent des éléments identiques ou similaires. La figure 1 représente un exemple de dispositif de de refroidissement à boucle diphasique à circuit fermé, qui comprend un évaporateur 10, un module condenseur 8, une première conduite fluide 40 dite 'vapeur' reliant la sortie 15 de l'évaporateur à l'entrée du module condenseur, et une deuxième conduite fluide 50 dite 'liquide' reliant la sortie du module condenseur à l'entrée de l'évaporateur. La circulation d'un fluide de travail diphasique est assurée par l'intermédiaire de l'effet de capillarité 20 prévalant dans une masse poreuse 3 agencée à l'intérieur de l'évaporateur 10. Ladite masse poreuse 3 sépare une première chambre 11 en contact thermique avec la source chaude et destinée à contenir généralement du fluide de travail en phase gazeuse, d'une seconde chambre 12 agencée 25 à l'opposé de la source chaude dans l'évaporateur et destinée à contenir du fluide de travail principalement en phase liquide. Comme il est connu en soi, l'énergie thermique apportée au niveau de l'évaporateur transforme du liquide 30 en vapeur ce qui permet d'absorber une énergie équivalente à la chaleur latente de vaporisation du fluide de travail. La vapeur ainsi créée est dirigée sous pression dans la première conduite 40 vers l'entrée 8a du module condenseur. À cet endroit, le fluide de travail cède ses calories soit 35 directement dans l'environnement, soit à un autre fluide 18 liquide en conduite forcée (comme cela est représenté, entrée 18a, sortie 18b), et par le fait le fluide de travail repasse en phase liquide après avoir cédé une énergie correspondant à la chaleur latente. Le fluide liquide à la sortie 8b du condenseur est aspiré par l'effet de pompage procuré par la structure capillaire de la masse poreuse, la deuxième chambre et la conduite 50 étant remplies du fluide de travail en phase liquide. De tels systèmes à pompage capillaire sont connus sous les acronymes de LHP ('Loop Heat Pipe') ou CPL ('Capillary Pumped Loop') et sont utilisés tant dans un environnement sans gravité (espace) que dans des applications terrestres avec gravité. Il faut remarquer que la figure 1 ne mentionne pas 15 la direction verticale et par conséquent il n'y a pas de contrainte particulière concernant l'orientation et la position respective de l'évaporateur et du module condenseur pour autant que l'effet de pompage capillaire reste supérieur aux effets de la gravité compte tenu de la 20 densité du fluide utilisé. Selon la présente invention, on vise principalement les systèmes terrestres avec des applications à fort volume ou grande série, c'est-à-dire des nombres très important de pièces à fabriquer. Dans ce contexte, on cherche à diminuer 25 le coût de revient et le coût de production des composants du système et en particulier de l'évaporateur capillaire 10. Une des applications visées par la présente invention concerne (non exclusivement) le refroidissement 30 des cartes électroniques et notamment des processeurs ou CPU qui sont implantés sur des cartes électroniques dans des ordinateurs, des serveurs classiques ou bien encore des racks de cartes serveur. Sur la figure 2, il est représenté schématiquement une carte électronique 19 munie d'au moins 35 un processeur 9. Dans la configuration illustrée, la carte est représentée en position horizontale, mais elle pourrait tout aussi bien être en position verticale. Au-dessus du processeur 9 est disposé un évaporateur capillaire 10 selon l'invention configure pour prélever des calories dissipées par le processeur 9 selon un processus de boucle capillaire diphasique déjà décrit plus haut. Le module condenseur 8 est formé par un échangeur de chaleur de type liquide/liquide de préférence à flux croisés, connu en soi et donc non décrit en détails ici. Le fluide refroidisseur 18 sera typiquement de l'eau, à la température où elle est disponible dans le bâtiment, ou voisine de la température ambiante ou encore légèrement refroidie. Comme représenté à la figure 3, l'évaporateur comprend une plaque de base 1 destinée à venir en contact physique et thermique avec le processeur 9 selon un plan d'interface P et un corps 2 qui complémente la plaque de base pour former une enceinte aussi appelé un espace interne 20, dans lequel sont agencés les éléments de l'évaporateur qui seront décrits ci-après. La plaque de base 1 comprend un bord périphérique 14 et une face externe 17 de réception thermique destinée à recevoir des calories depuis un élément dissipatif tel que le processeur 9 en question. Du côté opposé à la face externe, c'est-à-dire du côté dit interne, sont agencés une pluralité de projections 13 sous forme de nervures s'étendant continûment ou de façon discontinue et de préférence parallèlement les unes aux autres, de manière à créer entre ces rainures des canaux 41 destinés à convoyer la vapeur formée à cet endroit vers la sortie de vapeur 4. Les projections pourraient aussi être des pions arrangés en matrice ou en quinconce et séparés les uns des autres. La plaque de base est formée de préférence en cuivre, matériau qui présente un très bon coefficient de conduction thermique. Au-dessus des projections 13 se trouvent une couche à structure capillaire formant une masse poreuse 3, qui dans l'exemple illustré se présente comme une couche d'épaisseur constante sans aucune forme secondaire particulière. Ainsi il suffit de découper une couche poreuse aux bonnes dimensions de largeur et longueur, il n'y a pas besoin d'usiner des canaux de vapeur à l'intérieur de cette masse poreuse. La constitution et le procédé d'obtention d'une telle masse poreuse 3 est connu en soi et ne sont donc pas 10 décrits en détails ici. Le corps 2 susmentionné de l'évaporateur est agencé au-dessus de la plaque de base et de la masse poreuse, ce corps est réalisé de préférence en acier inoxydable dit 'inox'. Ce corps 2 comprend un fond 21, qui forme une paroi 15 parallèle au plan P, des parois latérales 22 (portions latérales) qui s'étendent à partir du fond tout autour de l'évaporateur en direction d'une bordure 24 qui borde le corps 2 au voisinage du plan d'interface P. La bordure 24 et le bord périphérique 14 de la 20 plaque de base 1 sont assemblés ensemble de façon hermétique par brasage, soudure, vissage, rivetage, sertissage ou tout autre procédé adéquat. Avantageusement, on forme dans la deuxième chambre 12 un dispositif anti retour 6 pour éviter un reflux de 25 liquide en direction de la conduite liquide 50. Ce dispositif est dans l'exemple illustré formé par une bande flexible 60 allongée s'étendant entre une première extrémité 61 fixée par rapport à l'évaporateur et une seconde extrémité 62 ou extrémité libre agencée au 30 voisinage de l'embouchure de l'orifice d'entrée 5. Dans l'exemple illustré, l'extrémité libre 62 vient se plaquer au repos contre la face 9a de la paroi interne ou débouche la conduite liquide ; l'extrémité fixe est fixée contre la paroi 9b perpendiculaire à la face 9a 35 susmentionnée. Lorsque le la masse poreuse aspire du liquide dans la deuxième chambre, cela provoque une aspiration de liquide à partir de la conduite liquide 50 et l'extrémité libre de la bande flexible s'écarte de la paroi 9a pour laisser entrer le liquide dans la deuxième chambre 12 (pour des raison de clarté, la déflection de la position défléchie 6' est exagérée). A l'inverse, s'il advient que la charge thermique augmente brutalement, il peut se produire une tendance à un reflux de fluide en phase gazeuse vers la chambre liquide depuis la masse poreuse ce qui peut conduire à assécher la masse poreuse. Toutefois dans le cas illustré, l'extrémité libre 62 de la bande flexible est dans ce cas plaquée contre la face 9a de la paroi latérale 22a et empêche par conséquent le liquide de refluer vers la conduite liquide 50. En conséquence de quoi la vapeur produite dans la masse poreuse est poussée exclusivement vers la première chambre et vers la conduite gazeuse 40. Un assèchement de la masse poreuse est ainsi évité. La première extrémité 61 dite « extrémité de 20 fixation » est fixée à la paroi 22b au moyen d'un point de soudure électrique, ou comme illustré par un encastrement dans une fente 65 prévue à cet effet. Avantageusement, la bande flexible 60 est formée par une bande d'acier inoxydable similaire à la matière du 25 corps 2. Comme illustré à la figure 6, l'épaisseur E de la bande est constante et peut être choisie entre 0,2 mm et 2mm. La largeur H (aussi appelée hauteur dans l'exemple 30 illustré) de la bande est constante et peut être choisie typiquement entre 3 mm et 16 mm. Avantageuse la bande présente une largueur au moins 8 fois supérieure à son épaisseur. La longueur L (de la bande peut être choisie 35 typiquement entre 4 cm et 25 cm. Avantageuse la bande présente une longueur au moins 10 fois supérieure à sa largeur. Dans une variante représentée à la figure 5, la bande flexible est plus longue et s'étend sur toute la longueur de la chambre liquide 12 ; elle est fixée dans ce cas à la paroi 22c située à l'opposé de la paroi 22a où débouche l'orifice d'entrée. Le fonctionnement de la bande flexible est similaire à ce qui a été décrit pour le cas de la figure 4. Il faut noter qu'une projection en forme de lèvre 10 25 forme une séparation étanche entre la première chambre et la deuxième chambre. En outre, le corps 2 comprend des extensions latérales 16 obtenues de forme intégralement par le formage du corps 2, ces extensions latérales s'étendent de 15 préférence parallèlement au plan P et sont munies de trous 66. De manière connue en soi, des vis à ressort (non représentées) permettent de presser l'évaporateur contre le processeur. Optionnellement, le fond 21 du corps peut présenter 20 sur sa face externe une pluralité d'ailettes 28 qui ont pour fonction de limiter l'échauffement du liquide dans la deuxième chambre 12 et qui permettent aussi de re-condenser des bulles de gaz qui auraient pu se former près de la masse poreuse et qui remontent vers le fond 21. REVENDICATIONS1. Evaporateur (10) pour système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire, comprenant : - une plaque de base (1) s'étendant généralement parallèlement à un plan (P) d'interface et destinée à recevoir des calories depuis un élément dissipatif, - un corps (2) avec un fond (21), des parois latérales 9a-9d et une bordure jointe à la plaque de base pour délimiter 10 ainsi de façon hermétique un espace intérieur (20) de l'évaporateur, - une masse poreuse (3) formant une couche à structure capillaire interposée entre la plaque de base et le fond, qui définit une première chambre (11) délimitée par la 15 plaque de base, les parois latérales et ladite couche de masse poreuse et une deuxième chambre (12) délimitée par le fond, les parois latérales et ladite couche de masse poreuse, la première chambre étant destinée à héberger du fluide 20 caloporteur en phase essentiellement gazeuse, la deuxième chambre étant destinée à héberger du fluide caloporteur en phase essentiellement liquide, et comprenant un orifice d'entrée (5) d'évaporateur pour une conduite tubulaire de liquide (50), 25 caractérisé en ce que un dispositif anti-retour (6) est agencé dans la deuxième chambre 12 au niveau de l'orifice d'entrée (5) pour éviter un reflux de liquide par l'orifice d'entrée, de sorte que l'on évite un assèchement de la masse poreuse en cas d'augmentation brutale de la puissance 30 thermique à recevoir. 2. Evaporateur selon la revendication 1, dans lequel le dispositif anti-retour est formé une bande flexible (6) qui est disposée pour venir se plaquer contre l'une (9a) des 35 parois latérales qui comprend la bouche de l'orifice d'entrée (5). 3. Evaporateur selon la revendication 2, dans lequel la bande flexible est rappelée par sa flexibilité propre contre l'orifice d'entrée avec une précontrainte. 4. Evaporateur selon l'une des revendications 2 à 3, dans lequel la bande est encadrée par le fond (21) et la masse poreuse (3) avec un jeu inférieur à 15% de sa hauteur selon une direction perpendiculaire au plan d'interface. 5. Evaporateur selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel la deuxième chambre (12) présente une forme générale parallélépipédique, le fond et la masse poreuse encadrant parallèlement la bande flexible. 6. Evaporateur selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel la bande est en acier inox, le corps étant aussi de préférence en acier inox. 20 7. Evaporateur selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel la bande présente une longueur au moins 10 fois supérieure à sa largeur, et la bande présente une largueur au moins 8 fois supérieure à son épaisseur. 25 8. Evaporateur selon l'une des revendications 2 à 7, dans lequel la bande présente une extrémité de fixation et à l'opposé une extrémité libre, l'extrémité de fixation étant fixée à une des parois latérales par un point de soudure ou un encastrement et l'extrémité libre étant agencée à 30 proximité de l'orifice d'entrée (5). 9. Evaporateur selon la revendication 8, dans lequel la paroi latérale (9b) où est fixée l'extrémité de fixation est adjacente à paroi latérale (9a) où est agencée la 35 bouche de l'orifice d'entrée. 10 15 10. Système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire pour évacuer la chaleur dissipée par un élément dissipatif, comprenant un évaporateur selon l'une des revendications 1-9, et un condenseur.5