Brevet FR3061745A1 — publié le 20180713

DISPOSITIF DE DIFFUSION THERMIQUE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine technique général des échangeurs de chaleur, notamment en vue de l'évacuation de la chaleur d'un élément devant être refroidi, tel qu'un composant électronique. Plus précisément, la présente invention concerne le domaine technique des diffuseurs thermiques diphasiques de type caloduc. De tels diffuseurs thermiques peuvent être utilisés pour de nombreuses applications telles que des applications dans l'aéronautique, le ferroviaire, l'aérospatial, l'électronique de puissance, etc. PRESENTATION DE L'ART ANTERIEUR Les composants des cartes électroniques dissipent une quantité importante de chaleur, provoquant une augmentation significative de leur température et des circuits électroniques associés. Or, une augmentation trop importante de la température de ces composants électroniques peut engendrer une baisse de leur fiabilité et/ou réduire leur durée de vie. C'est pourquoi il est nécessaire d'évacuer efficacement la chaleur dissipée par les composants électroniques. Les échangeurs de chaleur sont des systèmes qui permettent de prélever de la chaleur dans un milieu et de la redistribuer à un autre. Il existe différentes catégories d'échangeurs de chaleur permettant de transporter de la chaleur d'une source chaude (composant électronique, par exemple) vers une source froide (condenseur à eau, par exemple). Lorsque la surface de la source froide est significativement plus importante que la surface de la source chaude, le transfert de chaleur inclut une composante de diffusion de la chaleur, et l'échangeur de chaleur est appelé « diffuseur thermique ». 3061745 2 On connaît notamment : - le diffuseur massif plat qui consiste généralement en un bloc de matériau à forte conductivité thermique tel qu'un métal ; un tel diffuseur fonctionne par simple conduction de la chaleur dans le bloc de matériau, 5 - le caloduc capillaire qui consiste généralement en un logement contenant un liquide et une structure capillaire en contact thermique avec les parois internes du logement, le liquide étant localisé principalement dans la structure capillaire et s'écoulant de la source froide vers la source chaude, la vapeur produite au niveau de la source chaude occupant l'ensemble de l'espace vapeur et se 10 condensant au niveau de la source froide, - le thermosiphon diphasique qui consiste en un logement incluant un fluide diphasique circulant sous l'effet des forces gravitaires, la gravité étant le moteur du retour du liquide condensé dans la zone d'évaporation. 15 Chaque type de diffuseur thermique existant présente des avantages et des inconvénients. C'est pourquoi le choix d'un type de diffuseur thermique dépend de l'application visée, et plus précisément des contraintes associées à cette application. Dans certaines applications, telle que des applications pour le refroidissement de 20 l'électronique de puissance dans le domaine aéronautique, il est nécessaire que l'échangeur de chaleur réponde aux contraintes suivantes : - bonne efficacité à haute densité de flux (i.e. densité de flux supérieure à quelques W/cm2), c'est-à-dire faible résistance thermique, - faibles contraintes sur le positionnement des sources chaudes, 25 - faible sensibilité à l'inclinaison (dégradation des performances thermiques limitée pour des changements d'inclinaison de ± 40°), - bonne homogénéisation des températures, - faible complication en cas de gel, - faible poids, 30 - simplicité et faible coût. Or, aucun des diffuseurs thermiques précités ne permet de répondre à l'ensemble de ces contraintes. 3061745 3 En effet : - le diffuseur massif plat est lourd et peu efficace à haute densité de flux, - le caloduc capillaire est complexe, couteux, et sensible au gel (la structure capillaire pouvant se dégrader lorsque le liquide qu'elle contient se solidifie), et 5 ses performances thermiques se dégradent à hautes densités de flux, - le thermosiphon diphasique - de par l'utilisation des forces gravitaires pour la circulation du fluide - est sensible aux inclinaisons et très fortement contraint vis-à-vis du positionnement des sources chaudes et froides. 10 Un but de la présente invention est de proposer un diffuseur thermique permettant de répondre aux contraintes précitées, et plus précisément un diffuseur thermique : - ayant une bonne efficacité à haute densité de flux (i.e. densité de flux supérieure à quelques W/cm2), - dans lequel les sources chaudes peuvent être positionnées en différentes 15 zones, - peu sensible à l'inclinaison, - ne risquant pas de subir de dégradation en cas de gel, - présentant un faible poids, - simple et peu coûteux. 20 RESUME DE L'INVENTION A cet effet, l'invention propose un dispositif de diffusion thermique à effet caloduc comprenant un fluide caloporteur et un logement, le logement comportant une paroi 25 inférieure formant fond, une paroi supérieure opposée à la paroi inférieure et quatre parois latérales entre les parois inférieures et supérieures, les parois latérales se composant de : - deux parois latérales transversales, - deux parois latérales longitudinales, une première paroi latérale longitudinale 30 étant destinée à recevoir une source chaude, remarquable en ce que : - la distance entre les parois latérales longitudinales est comprise entre 1/2 et 2 fois la longueur capillaire du fluide caloporteur, 3061745 4 - la quantité de fluide caloporteur contenue dans le dispositif est comprise entre 25 et 80% du volume total du logement. Des aspects préférés mais non limitatifs du dispositif selon l'invention sont les 5 suivants : - le dispositif peut être dépourvu de structure capillaire ; - la source chaude peut être destinée à être positionnée dans une zone d'évaporation de la première paroi latérale longitudinale, l'aire de la zone d'évaporation étant inférieure à 40% de l'aire totale de la première paroi latérale 10 longitudinale ; - la position de la zone d'évaporation sur la première paroi latérale longitudinale peut être telle que : - la distance entre la zone d'évaporation et chaque paroi latérale transversale soit supérieure ou égale à un cinquième de la longueur de 15 la première paroi latérale longitudinale, - la distance entre la zone d'évaporation et la paroi supérieure soit supérieure ou égale à un tiers de la hauteur de la première paroi latérale longitudinale, et - la distance entre la zone d'évaporation et la paroi inférieure soit nulle ; 20 - la face externe de la première paroi latérale longitudinale peut comprendre un repère de positionnement pour définir la position de la zone d'évaporation ; - le dispositif peut comprendre des entretoises entre les faces internes des parois latérales longitudinales du logement, chaque entretoise étant destinée à coopérer avec des moyens de fixation respectifs ; 25 - les faces internes des parois latérales longitudinales peuvent comprendre une texturation de surface ; - la texturation de surface peut consister en des cannelures ménagées sur les faces internes des parois latérales longitudinales, les cannelures s'étendant entre les parois inférieure et supérieure du logement ; 30 - le fluide caloporteur peut être de l'eau. 3061745 5 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques du dispositif de diffusion thermique ressortiront mieux de la description qui va suivre de plusieurs variantes d'exécution, données à 5 titre d'exemples non limitatifs, à partir des dessins annexés sur lesquels : - Les figures 1 et 2 illustrent un mode de réalisation d'un diffuseur thermique selon l'invention, - Les figures 3 et 5 sont des vues de côté illustrant le principe de fonctionnement du diffuseur thermique 10 - Les figures 4 et 6 sont des vues de face illustrant le principe de fonctionnement du diffuseur thermique. DESCRIPTION DETAILLEE 15 On va maintenant décrire plus en détail le dispositif selon l'invention en référence aux figures. Dans ces différentes figures, les éléments équivalents sont désignés par la même référence numérique. En référence à la figure 1, on a illustré un mode de réalisation d'un dispositif de 20 diffusion thermique. Le dispositif comprend un fluide caloporteur 1 et un logement 2 pour contenir le fluide caloporteur 1. 25 1. Dispositif de diffusion thermique 1.1. Fluide caloporteur Le fluide caloporteur 1 permet de transporter la chaleur produite par l'élément à refroidir (non représenté). 30 Le fluide caloporteur 1 est contenu dans le logement 2, dont le volume intérieur constitue une enceinte étanche pour le fluide caloporteur. Le vide est effectué dans le logement 2 préalablement à l'introduction du fluide caloporteur 1. Le fluide caloporteur 3061745 6 se trouve alors dans un état d'équilibre liquide-vapeur en l'absence de transfert de chaleur. La quantité de fluide caloporteur 1 contenue dans le logement 2 peut être comprise 5 entre 25% et 80% du volume total du logement 2. Elle dépend de l'application visée et du compromis adopté entre la performance thermique du système et les autres contraintes à prendre en considération, telles que l'inclinaison ou le degré de liberté souhaité sur le placement des sources chaudes. Par exemple pour certaines applications, la quantité de fluide peut être comprise entre 30% et 70%, ou encore 10 entre 40% et 60%, ou entre 45% et 55%, voire sensiblement égale à 50% du volume total du logement. Comme il ressortira plus clairement dans la suite du texte, la combinaison de cette caractéristique à des spécificités relatives au dimensionnement du logement 2 permet 15 au dispositif de diffusion thermique de répondre aux contraintes précitées concernant l'efficacité du dispositif à haute densité de flux, sa sensibilité à l'inclinaison, sa simplicité, etc. Le matériau constituant le fluide caloporteur 1 peut varier selon le niveau de 20 température de fonctionnement désiré. Le fluide caloporteur 1 peut être par exemple une huile, un alcool (comme du méthanol, de l'éthanol ou du glycol), un composé organique (comme de l'acétone, de l'ammoniac), un mélange, un nanofluide, un métal liquide, ou tout type de fluide caloporteur connu de l'homme du métier. 25 Dans un mode de réalisation, le fluide caloporteur 1 est de l'eau déminéralisée. L'utilisation d'eau comme fluide caloporteur 1 présente de nombreux avantages, et notamment : - un coût très peu élevé et - une toxicité nulle et 30 - l'ininflammabilité et - d'excellentes performances thermiques. 1.2. Logement 3061745 7 Le logement 2 comprend des parois consistant par exemple en des plaques de matériau thermiquement conducteur tel que du métal (par exemple du cuivre ou de l'aluminium). Le choix du matériau utilisé pour réaliser les parois du logement 2 dépend notamment des contraintes de fabrication et d'utilisation, ainsi que du type de 5 fluide caloporteur choisi, le couple fluide/matériau du logement devant être compatible chimiquement. Le logement 2 comprend : - une paroi inférieure 21 formant fond, - une paroi supérieure 22 opposée à la paroi inférieure 21, 10 - deux parois latérales transversales 23, 24, et - deux parois latérales longitudinales 25, 26. Les parois 21-26 du logement 2 sont reliées les unes aux autres de sorte à constituer un réservoir étanche contenant le fluide caloporteur 1. 15 On utilisera dans la suite du texte les expressions « paroi latérale », « paroi supérieure », « paroi inférieure », en référence à un parallélépipède rectangle. Le lecteur appréciera que l'on entend, dans le cadre de la présente invention, par : - « paroi inférieure », une paroi horizontale d'un parallélépipède 20 rectangle la plus proche du sol, - « paroi supérieure », une paroi horizontale d'un parallélépipède rectangle opposée à la paroi inférieure, - « face/paroi latérale », une face/paroi verticale d'un parallélépipède rectangle s'étendant dans un plan perpendiculaire à la paroi inférieure, 25 - « faces/parois longitudinales », des faces/parois verticales d'un parallélépipède rectangle dont au moins une dimension est supérieure aux dimensions des autres faces/parois latérales, - « faces/parois transversales », des faces/parois verticales s'étendant perpendiculairement aux faces/parois longitudinales. 30 Avantageusement, le logement 2 est dépourvu de structure capillaire. Ceci permet de réduire les risques de dégradation du dispositif de diffusion thermique en cas de gel du fluide caloporteur 1, par exemple lors d'une désactivation prolongée du dispositif 3061745 8 dans un environnement froid. L'absence de structure capillaire permet également d'améliorer les performances thermiques et de réduire le coût et les contraintes de fabrication par rapport aux caloducs capillaires usuellement utilisés. 5 1.2.1. Parois latérales longitudinales Les parois latérales longitudinales 25, 26 constituent les parois de plus grandes dimensions du dispositif de diffusion thermique. Plus précisément, l'aire d'une paroi latérale longitudinale est supérieure à l'aire de chacune des autres parois du logement 10 2. Le logement 2 comprend : - une première paroi latérale longitudinale 25, - une deuxième paroi latérale longitudinale 26 s'étendant parallèlement à 15 la première paroi latérale longitudinale 25. Dans le mode de réalisation illustré aux figures 1 à 3, la face externe de la première paroi latérale longitudinale 25 est destinée à être en contact thermique avec une (ou plusieurs) source(s) chaude(s). La face externe de la deuxième paroi latérale 20 longitudinale 26 est quant à elle destinée à être en contact thermique avec une (ou plusieurs) source(s) froide(s). En variante, les sources chaudes et froides peuvent être disposées sur une même paroi latérale longitudinale, tant que certaines règles, exposées plus loin, sont respectées. 25 La distance « e » entre les parois latérales longitudinales (25, 26) est avantageusement comprise entre 1/2 et 2 fois la longueur capillaire du fluide caloporteur (1). La « longueur capillaire » est une échelle de longueur caractéristique d'une interface (entre deux fluides) soumise à des forces capillaires et à des forces de pesanteur : par exemple, lorsque les effets gravitationnels dominent, une bulle ou 30 une goutte est aplatie par la gravité et son rayon est grand devant la longueur capillaire. Cette longueur caractéristique est une propriété intrinsèque et dépend donc du fluide caloporteur choisi pour le dispositif de diffusion thermique ainsi que de la 3061745 9 température de fonctionnement ; dans le cas de l'eau à 20°C, la longueur capillaire est de 2,7 millimètres. Le fait que la distance e entre les parois latérales longitudinales 25, 26 soit comprise 5 entre 1/2 et 2 fois la longueur capillaire du fluide caloporteur 1 permet de tirer parti des phénomènes d'ébullition confinée. La principale différence entre une ébullition en milieu confiné et en milieu non confiné est que pour des flux thermiques faibles, la surchauffe en paroi est moins importante en milieu confiné qu'en milieu non confiné. Ceci traduit le fait qu'un meilleur coefficient de transfert de chaleur est obtenu. Plus 10 l'espace est confiné, plus le coefficient d'échange devient grand devant celui atteint lors de l'ébullition dans un milieu non confiné. L'homme du métier considère généralement que le confinement de l'ébullition n'est pas adapté dans le cadre de flux thermique importants. En effet, il considère qu'en 15 cas de flux thermique important en milieu confiné, le taux de vapeur produite devient important et compte tenu des faibles dimensions caractéristiques du système, cela entraîne une dégradation des performances thermiques notamment liée aux problèmes de pression et pouvant aller jusqu'à un arrêt de fonctionnement du diffuseur. 20 Les inventeurs ont quant à eux découvert que la combinaison : - d'une quantité (Qf) de fluide caloporteur comprise entre 25% et 80% du volume total (Vtot) du logement, et - d'une distance e comprise entre 1/2 et 2 fois la longueur capillaire (Le) du 25 fluide caloporteur permet d'obtenir un dispositif de diffusion thermique efficace, même lorsque le flux thermique est important et d'augmenter la surface disponible pour le placement des sources chaudes. 30 La combinaison de ces caractéristiques (1/2xL, REVENDICATIONS1. Dispositif de diffusion thermique à effet caloduc comprenant un fluide caloporteur (1) et un logement (2), le logement (2) comportant une paroi inférieure (21) formant fond, une paroi supérieure (22) opposée à la paroi inférieure (21) et quatre parois latérales (23, 24, 25, 26) entre les parois inférieures (21) et supérieures (22), les parois latérales se composant de : - deux parois latérales transversales (23, 24), - deux parois latérales longitudinales (25, 26), une première paroi latérale longitudinale (25) étant destinée à recevoir une source chaude, caractérisé en ce que : - la distance entre les parois latérales longitudinales (25, 26) est comprise entre 1/2 et 2 fois la longueur capillaire du fluide caloporteur (1), - la quantité (Qf) de fluide caloporteur (1) contenue dans le dispositif est comprise entre 25 et 80% du volume total (Vtot) du logement (2). 2. Dispositif selon la revendication 1, lequel est dépourvu de structure capillaire. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la source chaude est destinée à être positionnée dans une zone d'évaporation (32) de la première paroi latérale longitudinale (25), l'aire de la zone d'évaporation (32) étant inférieure à 40% de l'aire totale de la première paroi latérale longitudinale (25). 4. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la position de la zone d'évaporation sur la première paroi latérale longitudinale est telle que : - la distance entre la zone d'évaporation (32) et chaque paroi latérale transversale (23, 24) est supérieure ou égale à un cinquième de la longueur (L) de la première paroi latérale longitudinale (25), - la distance entre la zone d'évaporation (32) et la paroi supérieure (22) est supérieure ou égale à un tiers de la hauteur (H) de la première paroi latérale longitudinale (25), et - la distance entre la zone d'évaporation (32) et la paroi inférieure (21) est nulle. 3061745 19 5. Dispositif selon l'une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel la face externe de la première paroi latérale longitudinale (25) comprend un repère de positionnement pour définir la position de la zone d'évaporation (32). 5 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, lequel comprend des entretoises (36) entre les faces internes des parois latérales longitudinales (25, 26) du logement (2), chaque entretoise (36) étant destinée à coopérer avec des moyens de fixation respectifs. 10 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les faces internes des parois latérales longitudinales (25, 26) comprennent une texturation de surface. 15 8. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la texturation de surface consiste en des cannelures ménagées sur les faces internes des parois latérales longitudinales (25, 26), les cannelures s'étendant entre les parois inférieure et supérieure (21, 22) du logement (2). 20 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le fluide caloporteur (1) est de l'eau. 25