Brevet FR3027379A1 — publié le 20160422

Caloduc plat avec fonction réservoir La présente invention est relative aux caloducs, et plus généralement aux systèmes de transfert thermique à 5 fluide de travail diphasique. Plus précisément, on s'intéresse aux caloducs plats chargés d'évacuer les calories produites par un équipement électronique, comme un processeur, un transistor de puissance, ou tout autre composant électronique dégageant des calories, ou toute 10 autre source de chaleur. Dans un tel caloduc, le fluide de travail est vaporisé dans une zone appelée 'évaporateur' et le fluide de travail est condensé dans une zone appelée 'condenseur'. Le caloduc en question est formé par une enveloppe hermétique dans 15 laquelle est enfermée une certaine quantité de fluide de travail qui circule en boucle fermée entre les zones évaporateur et condenseur grâce au phénomène de capillarité engendré par une structure capillaire interposée entre la zone évaporateur et la zone condenseur. 20 En particulier, on s'intéresse ici aux caloducs plats présentant deux faces opposées, à savoir une première face dite 'chaude' recevant des calories du composant à refroidir et une seconde face dite 'froide' destinée à évacuer les calories vers un radiateur à ailettes ou un 25 échangeur thermique à liquide conventionnel. Ce type de caloduc est aussi appelé « Heat Spreader » dans le jargon du métier. On connaît ce genre caloduc « Heat Spreader » par exemple des documents US3613778, US5642776, US7392836 ou US20100326632. 30 Par ailleurs, on assiste à un accroissement des densités de flux surfacique a évacuer au niveau du composant électronique, et par conséquent il est un besoin d'accroître l'efficacité et l'optimisation des caloducs 'Heat Spreader'. 35 Les configurations de l'art connu n'apportent pas de solution optimale pour gérer la variation de volume de liquide en fonction de la température de fonctionnement. En effet, le volume occupé par la phase liquide augmente avec la température de fonctionnement, et l'excédent de liquide peut diminuer les performances du caloduc en particulier au niveau des échanges thermiques du côté condenseur, qui peut se trouver masqué, en partie ou totalement, par cet excédent de liquide. Il est donc apparu un besoin d'améliorer la gestion de 10 l'excédent de liquide pour maintenir les performances du caloduc à un niveau optimal sur une gamme étendue de températures de fonctionnement. Dans ce but, l'invention a pour objet un caloduc plat à fluide de travail diphasique liquide-vapeur, comprenant : 15 - une première plaque, destinée à recevoir des calories depuis une source chaude, - une seconde plaque, destinée à évacuer des calories vers une source froide, agencée en vis-à-vis et sensiblement parallèlement par rapport à la première 20 plaque, - une bordure reliant de manière étanche les première et seconde plaques, pour former un espace intérieur clos renfermant le fluide de travail diphasique, - une structure capillaire, interposée entre les 25 première et seconde parois, - des canaux de vaporisation adjacents à la première plaque, - des canaux de condensation adjacents à la seconde plaque, 30 - au moins un passage de transfert mettant en communication les canaux d'évaporation avec les canaux de condensation pour le transport de vapeur, - au moins un canal collecteur formant réservoir, en communication fluide avec chaque canal de condensation, 35 ledit canal collecteur étant adjacent à la deuxième plaque, de sorte que le canal collecteur peut attirer par capillarité et stocker l'excédent de phase liquide. En d'autres termes, le canal collecteur joue le rôle de vase d'expansion en captant l'excédent de liquide de 5 manière à maintenir un fonctionnement optimal des canaux de condensation. Dans divers modes de réalisation de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : 10 - les canaux de vaporisation et/ou les canaux de condensation peuvent être formés comme des rainures, soit aménagées dans la structure capillaire, soit aménagées sur la face intérieure respectivement des première et seconde plaque(s) ; ceci représente une configuration géométrique 15 simple qui peut être obtenue par des moyens de fabrication standard, usinage, estampage formage, etc_ ; - le canal collecteur est avantageusement mis en communication fluide avec chaque canal de condensation au moyen d'un passage étroit/restreint. On obtient ainsi un 20 effet d'aspiration par la formation d'un ménisque et grâce au phénomène de capillarité ; - le passage étroit est préférentiellement agencé à l'extrémité connectée au réservoir de chaque rainure de condensation ; ceci s'avère une disposition avantageuse à 25 l'opposé de l'extrémité d'arrivée de vapeur un peu plus chaude ; - le diamètre hydraulique du passage étroit est de préférence strictement inférieur au diamètre hydraulique du canal de condensation ; on favorise ainsi la formation d'un 30 ménisque de liquide à l'endroit du passage étroit ; - on choisit de préférence la dimension du passage étroit pour que la pression capillaire qu'il génère compense le champ de gravité dans n'importe quelle direction ; moyennant quoi, le pompage capillaire vers l'intérieur du 35 réservoir fonctionne quel que soit l'orientation du dispositif caloduc ; - on choisit avantageusement la masse de fluide de travail pour que le réservoir soit entièrement rempli de la phase vapeur à la température minimale de fonctionnement du caloduc ; on optimise ainsi la quantité de fluide nécessaire pour le fonctionnement sur une plage de températures prescrites ; - l'enveloppe formée par la première plaque, la deuxième plaque et la bordure est réalisée de préférence en matériau céramique ; matériau dont le coefficient de dilatation thermique est compatible avec les coefficients de dilatation thermique des composants électroniques ; ce qui évite les risques de stress mécanique ; - la structure capillaire est réalisée de préférence en matériau céramique ; ainsi la dilatation thermique de la structure capillaire est cohérente avec celle de l'enveloppe ; ce qui diminue encore les risques de stress mécanique. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif. L'invention sera également mieux comprise en regard des dessins joints sur lesquels : - la figure 1 est une vue générale en perspective d'un 25 caloduc selon l'invention dans son environnement d'utilisation, - la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un caloduc selon l'invention, selon un plan de coupe II-II visibles à la figure 3, 30 - la figure 3 est une vue en coupe horizontale du caloduc de la figure 2, selon un plan de coupe III-III visibles à la figure 2, - la figure 4 représente une vue en perspective éclatée montrant la plaque côté condensation et la structure 35 capillaire du caloduc de la figure 2, - la figure 5 représente une vue éclatée de côté et en coupe du caloduc de la figure 2, selon un plan de coupe V-V visibles à la figure 3, - la figure 6 représente plus en détail le passage 5 rétréci formé entre le canal collecteur formant réservoir et un canal de condensation, - la figure 7 est une vue analogue à la figure 5, et représente une variante de réalisation en configuration assemblée. 10 Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. La figure 1 montre un système comprenant un caloduc plat 1 qui permet d'évacuer des calories produites par des composants dissipatifs 6 ('source chaude') en direction 15 d'un élément 7 pouvant recevoir ces calories appelé ici 'source froide' 7. Dans l'exemple illustré, on définit un plan de référence XY. L'interface physique entre les composants dissipatifs 6 et le caloduc 1 est parallèle à ce plan de référence ainsi que l'interface physique entre le 20 caloduc plat 1 et une plaque appartenant à la source froide 7. Le flux de calories est dispersé dans toutes les directions X, Y et H par le fluide de travail qui s'écoule à l'intérieur du caloduc, pour être dissipé à la connexion entre la plaque condenseur 22 et la source froide 7, c'est- 25 à-dire selon la direction transversale H perpendiculaire au plan de référence, mais aussi selon les directions X et Y du plan de référence. On appelle aussi ce type de caloduc plat un « Heat Spreader » car la surface d'évacuation de calories du côté de la source froide 7 est plus importante 30 que la surface d'admission des calories en provenance de la (des) source(s) chaude(s) 6. À l'intérieur du caloduc plat 1 se trouve un fluide de travail diphasique 5 (c'est-à-dire comprenant une portion en phase liquide 5L et une portion en phase vapeur 5V), 35 destiné à prélever des calories de la source chaude 6 et à les évacuer en direction de la source froide 7. En référence aux figures 2 à 5, le caloduc 1 comprend une première plaque 21, destinée à recevoir des calories depuis la source chaude, une seconde plaque 22 destinée à évacuer des calories vers la source froide 7. La seconde plaque 22 est agencée en vis-à-vis de la première plaque 21 et parallèlement par rapport à la première plaque 21, à distance selon la direction H. On note ici que la direction H ne coïncide pas 10 forcément avec la verticale du champ de gravité éventuel, de même le plan de référence XY ne coïncide pas forcément avec un plan horizontal. Avantageusement, l'épaisseur du caloduc 1 selon la direction H (entre les faces externes des première et 15 deuxième plaques 21,22) est par exemple inférieure à 20 mm, voire inférieure à 15mm, voire même inférieure à 10mm ; ainsi, le caloduc peut être facilement intégré dans une carte informatique ou dans une unité de contrôle électronique. Toutefois, il faut noter que le principe de 20 la présente invention peut être appliqué avec n'importe quelles dimensions. En outre, une bordure 23 relie de manière étanche les première et seconde plaques 21,22 ; ainsi, les parois pleines des première et seconde plaques, avec ladite 25 bordure, forment un espace intérieur clos (enceinte hermétique et étanche) renfermant le fluide de travail diphasique 5. Une fois l'enceinte scellée, il n'y a plus d'échange de matière entre l'espace intérieur clos et l'extérieur ; par conséquent, la quantité de fluide de 30 travail reste constante même si les conditions de température et de pression varient dans le temps. Entre les première et seconde plaques 21,22 est interposée une structure capillaire 3, qui a pour fonction d'aspirer le fluide en phase liquide et de créer un saut de 35 pression capable de contre-balancer toutes les pertes de charges du circuit. Ainsi le fluide est mis en mouvement par cette pompe capillaire dans le caloduc. Cette structure capillaire 3 peut être formée par une masse poreuse (par exemple à base de métal fritté) ou bien par une structure en treillis ou de type paille de fer. La structure capillaire 3 peut aussi être obtenue à partir d'un matériau céramique poreux, ou à partir d'un matériau plastique poreux. La taille des pores est choisie en fonction du fluide de travail en phase liquide et notamment de sa tension de surface (rayon du ménisque qui se forme spontanément). La taille des pores peut typiquement être comprise entre 1 micromètres (pm) et 100 micromètres, voire comprise entre 1 pm et 20 pm et préférentiellement comprise entre 2 pm et 5 pm. Pour faciliter la lecture des figures, la structure capillaire 3 a été représentée avec des hachures espacées, et sans hachures sur la figure 3. La structure capillaire 3 se remplit de liquide. Le flux de chaleur appliqué par les composants dissipatifs 6 fait vaporiser le liquide en surface du matériau capillaire qui localement s'assèche ce qui attire ainsi le fluide de travail en phase liquide et le met en mouvement dans le caloduc. Cependant, si la température de fonctionnement du caloduc se met à augmenter suite aux conditions externes propres au système de refroidissement, il se trouve que le volume occupé par la phase liquide excède le volume qui peut être hébergé à l'intérieur de la structure capillaire. Dès lors, il y a un excédent de phase liquide 5L qui se trouve en dehors de la structure capillaire 3. En effet, la masse volumique pi, de la phase liquide diminue lorsque sa température augmente alors qu'à l'inverse, la masse volumique pv de la phase vapeur augmente. Par conséquent, comme la masse globale de fluide dans le caloduc reste inchangée, le volume liquide relatif occupé par la phase liquide 5L à l'intérieur de l'enceinte close du caloduc augmente lorsque la température augmente ce qui conduit à un excédent de liquide. Un excédent de liquide qui se trouverait dans les canaux de condensation 12 conduirait à dégrader les échanges thermiques du phénomène de condensation et un gradient de température plus important qui s'avérerait néfaste. On note que le caloduc 1 peut être utilisé dans une application terrestre où le champ de gravité règne, mais aussi dans un environnement spatial ou les forces de 10 gravité sont beaucoup plus faibles voire négligeables. En raison de l'apport de calories à l'endroit de la première plaque 21 (c'est-à-dire côté évaporateur), le fluide de travail en phase liquide 5L qui se trouve à cet endroit se vaporise en absorbant ces calories. De manière 15 avantageuse, on prévoit des canaux de vaporisation 11 adjacents à la première plaque pour faciliter l'évacuation de la vapeur ainsi créée et permettre l'admission en permanence d'autre fluide en phase liquide. Les canaux de vaporisation 11 peuvent être formés comme illustré comme 20 des rainures dans la structure capillaire, mais elles peuvent aussi être aménagées sur la face interne de la première plaque 21. La vapeur 5V créée du côté évaporateur circule par des passages de transfert 13 en direction d'une zone de 25 condensation qui se trouve à l'endroit de la deuxième plaque 22. À cet endroit, en raison de la température plus basse de la source froide, la vapeur se re-condense sous forme liquide. Dans l'exemple illustré, ceci se produit dans des canaux de condensation 12 adjacents à la seconde 30 plaque 22. Dans l'exemple illustré, les canaux de condensation 12 sont agencés sur la face interne de la deuxième plaque. Dans une réalisation alternative, ils pourraient être formés comme des rainures à l'intérieur de la structure capillaire 3. 35 Les changements de phase liquide-vapeur et vapeur- liquide se produisent à une température donnée, déterminée par l'équilibre Psat,Tsat (conditions de saturation), et par conséquent, un tel caloduc à fluide à changement de phase liquide-vapeur, permet d'avoir d'une part un écart de température très faible, voire négligeable, entre la première plaque et la deuxième plaque et d'autre part une homogénéité quasi-parfaite de la température du fluide à l'intérieur du caloduc et donc sur l'ensemble de la surface 27 formant l'interface avec la source froide 7. On note que idéalement la vapeur ne traverse pas la structure capillaire remplie de liquide ; ainsi, la structure capillaire remplie de liquide forme une barrière pour la vapeur que l'on appelle 'étanchéité capillaire'. Afin de loger l'excédent de liquide qui peut se former 15 lorsque la température de fonctionnement augmente, il est prévu avantageusement selon la présente invention de disposer un canal collecteur 9 formant réservoir, en communication fluide avec chaque canal de condensation 12. Ce réservoir 9 a pour fonction de capter un excédent 20 éventuel de liquide, de manière systématique cet excédent éventuel de liquide s'accumule naturellement au condenseur ; le réservoir selon l'invention attire et capte l'excédent de liquide comme il sera détaillé plus loin et ainsi cet excédent de liquide ne s'accumule pas dans les 25 canaux de condensation 12. Dans l'exemple illustré, les canaux de condensation 12 s'étendent selon la direction Y parallèlement les uns aux autres ; le canal collecteur réservoir 9 s'étend perpendiculairement aux canaux de condensation c'est-à-dire 30 selon la direction X. Dans la configuration illustrée, le caloduc présente une forme générale parallélépipédique, toutefois il n'est pas exclu d'avoir d'autres dispositions géométriques, comme par exemple une configuration de disque ou galette où les canaux sont disposés en étoile ou tout 35 autre forme permettant de faire le lien entre source chaude et source froide. Chaque canal de condensation 12 s'étend entre une première extrémité 12a ouverte vers le passage de transfert 13 et une seconde extrémité 12b à l'endroit de laquelle une communication fluide 8 est établie avec le canal collecteur formant réservoir 9. Le raccordement 8 entre le canal collecteur 9 et chaque canal de condensation est avantageusement réalisé au moyen d'un passage étroit (passage restreint) 8 ; plus précisément le diamètre hydraulique du passage étroit 8 est strictement inférieur au diamètre hydraulique du canal de condensation 12. À cet endroit se forme un ménisque de liquide 84 (Fig. 6) qui occupe le volume du passage étroit 8. _ Selon le fluide de travail choisi, la largeur du passage étroit 8 peut être choisie comme inférieure aux trois-quarts de la largeur de la rainure de condensation, voire inférieure à la moitié de la largeur de la rainure de condensation, ou même inférieure au tiers. Le réservoir 9 est bordé sur sa face supérieure par la structure capillaire 3. Donc la phase liquide peut entrer ou sortir du réservoir uniquement par les passages étroits 8 susmentionnés et/ou par aspiration par la structure capillaire. Par ailleurs, le canal collecteur 9 n'étant pas soumis l'arrivée de vapeur, sa température va être légèrement inférieure à la température régnant dans les canaux de condensation. Du fait d'un léger différentiel de pression qui s'ensuit entre le canal de condensation et l'intérieur 30 du réservoir 9, le fluide à l'état liquide est aspiré vers l'intérieur du réservoir. Selon une disposition avantageuse, on peut prévoir que le diamètre hydraulique et le différentiel de pression qui se produit sont suffisants pour compenser les effets du 35 champ de gravité quelle que soit l'orientation selon laquelle le caloduc est positionné. D'ailleurs, l'orientation peut être variable selon le temps si le caloduc est embarqué dans un moyen de transport (train, avion,...) ou dans un appareil nomade (laptop, tablette,...). Dans l'exemple illustré, le passage de transfert 13 servant à véhiculer la vapeur est formé par un espace libre qui fait tout le tour de la structure capillaire c'est-à-dire sur quatre côtés, à savoir deux cavités latérales 13c,13d, une cavité postérieure 13b situé proche du réservoir est une cavité antérieure 13a située à l'opposé du canal collecteur, cette cavité antérieure 13a s'ouvrant directement sur les premières extrémités 12a de chaque canal de condensation. Une première extrémité lia de chaque canal de 15 vaporisation 11 débouche dans la cavité antérieure 13a et une seconde extrémité llb de chaque canal de vaporisation débouche dans la cavité postérieure 13b. Les flux de vapeur à travers des passages de transfert sont repérés par les signes Fa, Fb, Fc et Fd sur la figure 3. 20 On détermine la quantité de fluide de travail qui doit être contenue dans l'enceinte close du caloduc 1 grâce à la connaissance de la température minimale de fonctionnement du caloduc, dite T min op. Ainsi, on choisit idéalement la masse de fluide 5 pour 25 que la phase liquide 5L occupe tout le volume de la structure capillaire mais pas plus ; autrement dit on choisit la masse de fluide 5 pour que le réservoir 9 soit entièrement rempli de la phase vapeur 5V à la température minimale de fonctionnement T min op du caloduc. 30 Lorsque la température de fonctionnement du caloduc augmente à partir de T min op, il se produit un excédent de liquide et le réservoir 9 se remplit alors. S'il advient que température de fonctionnement du caloduc est inférieure à T min op, la structure capillaire 35 n'est alors pas complètement gavée de liquide, le réservoir est alors complètement rempli de vapeur. Dans ce cas, la performance de transfert thermique du caloduc peut être optimale mais le caloduc pourra fonctionner en mode dégradé (oscillations de débit de fluide et/ou de 5 température de fonctionnement, voire ré-augmentation de cette dernière jusqu'à repasser au-dessus de T min op). Le volume du réservoir 9 peut être déterminé pour admettre une quantité de liquide 5L en excès qui correspond à une température maximale de fonctionnement T max op. 10 Les première et seconde plaques 21,22 et la bordure 23 peuvent être formées en matériau métallique (Ni, Cu, acier inoxydable,...) ou en matériau céramique (A1203, AlSiC, AIN, ...), ou encore en matériau plastique. On note que la bordure 23 peut former une pièce distincte ou peut être obtenue en 15 un seul tenant avec une des plaques, par exemple la première plaque comme illustré à la figure 5, la pièce référencée 4 incluant la première plaque et la bordure. On scelle la bordure 23 par brasage, soudure laser, collage structurel ou autre. 20 Dans une réalisation, la seconde plaque, les rainures de condensation et le canal collecteur forment ensemble une pièce embase référencée 2. La bordure pourrait aussi se présenter comme un accostage dans le plan de référence XY, avec les bords de 25 chacune des plaques qui viennent se jointer, la première plaque présentant un bord embouti décalé comme ceci est illustré à la figure 7. Le fluide de travail 5 utilisé est de préférence un fluide dit « basse pression » qui limite les contraintes 30 mécaniques sur l'enveloppe du caloduc, on peut utiliser par exemple de l'eau, du méthanol, de l'acétone, de l'éthanol ou un fluide réfrigérant quelconque. Dans l'exemple illustré, la structure capillaire 3 présente une forme générale parallélépipédique avec une 35 largeur LX3, une longueur LY3 est une hauteur h3. La première plaque 21 présente une longueur LY1 correspondant sensiblement à la somme de LY3 plus la largeur des passages antérieurs et postérieurs 12a,12b plus l'épaisseur de bordure. La seconde plaque 22 présente une largeur LX2, une longueur LY2 est une hauteur h2. La hauteur h7 des rainures de condensation peut être identique à la hauteur h9 du canal collecteur formant réservoir ; mais cette dernière peut être supérieure h9>h7 ; on peut aussi choisir h9 REVENDICATIONS1. Caloduc plat (1) à fluide de travail diphasique liquide-vapeur, comprenant : - une première plaque (21), destinée à recevoir des calories depuis une source chaude (6), une seconde plaque (22), destinée à évacuer des calories vers une source, froide (7), agencée en vis-à-vis et sensiblement parallèlement par rapport à la première 10 plaque, - une bordure reliant de manière étanche les première et seconde plaques, pour former un espace intérieur clos renfermant le fluide de travail diphasique 5, une structure capillaire (3), interposée entre les 15 première et seconde parois, - des canaux de vaporisation (11) adjacents première plaque, - des canaux de condensation (12) adjacents à-seconde plaque, 20 - au moins un passage de transfert (13) mettant en communication les canaux d'évaporation avec les canaux de condensation pour le transport de vapeur (5V), - au moins un canal collecteur (9) formant réservoir, en communication fluide avec chaque canal de condensation, 25 ledit canal collecteur étant adjacent à la deuxième plaque ; de sorte que le canal collecteur peut attirer et stocker l'excédent de phase liquide (5L). 2. Caloduc selon la revendication 1, dans lequel les canaux 30 de vaporisation et/ou les canaux de condensation sont formés par des rainures, soit aménagées dans la structure capillaire (3), soit aménagées sur la face intérieure respectivement des première et seconde plaque(s). 35 3. Caloduc selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel le canal collecteur est mis en communication fluideavec chaque canal de condensation (12) au moyen d'un passage étroit (8). 4. Caloduc selon la revendication 3, dans lequel le passage étroit est agencé à l'extrémité connectée (12b) au réservoir de chaque rainure de condensation (12). É. Caloduc selon l'une des revendications 3 à 4, dans lequel le diamètre hydraulique du passage étroit (8) est 10 strictement inférieur au diamètre hydraulique du canal de condensation. 6. Caloduc selon l'une des revendications 3 à 5, dans lequel on choisit la dimension du passage étroit (8) de 15 façon à ce qu'un ménisque de liquide (84) s'y forme et y demeure, selon le fluide de travail choisi et quelle que soit l'orientation par rapport au champ de gravité, de sorte que la pression capillaire que ce ménisque génère compense le champ de gravité dans n'importe quelle 20 direction. 7. Caloduc selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel on choisit la masse de fluide (5) pour que le réservoir (9) soit entièrement rempli de la phase vapeur 25 (5V) à la température minimale de fonctionnement du caloduc. 8. Caloduc selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel l'enveloppe formée par la première plaque (21), la 30 deuxième plaque (22) et la bordure (23) est réalisée en matériau céramique. 9. Caloduc selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel la structure capillaire (3) est réalisée en matériau 35 céramique.