Brevet FR3065279A1 — publié le 20181019

Évaporateur à interface de vaporisation optimisée La présente invention est relative aux évaporateurs, habituellement utilisés dans les systèmes de transfert 5 thermique à fluide de travail diphasique. Plus précisément, on s'intéresse à l'interface de vaporisation à l'endroit duquel du liquide se transforme en vapeur en absorbant une quantité importante d'énergie calorifique. 10 Ce genre d'évaporateur est utilisé habituellement pour refroidir un équipement électronique, comme un processeur (CPU, GPU), un module de puissance (IGBT, SiC, Gan etc.), ou tout autre composant électronique dégageant des calories, ou toute autre source de chaleur. 15 Ce genre d'évaporateur est utilisé dans un système qui comprend un condenseur et des conduites aller et retour pour faire circuler le fluide entre l'évaporateur et le condenseur. La tendance actuelle de l'électronique amène à devoir 20 évacuer des puissances thermiques importantes sur de petites surfaces. Dans l'évaporateur, on prévoit au niveau de l'interface entre la mèche capillaire (qui amène le liquide) et l'organe ou la plaque de réception/transfert de calories 25 (en contact avec la source chaude primaire qui amène les calories) des espaces vides qui forment des canaux d'évacuation de la vapeur. Ces canaux de vapeur sont aménagés soit dans la mèche capillaire soit dans l'organe de réception des calories. Le plus courant est de prévoir 30 des rainures de section rectangulaire pour former de tels canaux vapeur, comme par exemple enseigné par le document US5725049 [NASA]. Certains ont essayé d'accroître la capacité thermique en dessinant des canaux vapeur de formes différentes pour 35 accroître la capacité en termes de flux thermique. En effet la présence des canaux vapeur entraine une concentration de 3065279 2 la densité de flux de chaleur au contact de la mèche ce qui a conduit les développeurs à privilégier des rainures dites « ré-entrantes » comme par exemple dans le document EP0987509 [Matra Marconi Space]. D'autres ont essayé de minimiser les fuites thermiques parasites, comme par exemple dans le document US6330907 [Mitsubishi], mais la formation de bulles de vapeur dans la zone de contact avec la mèche n'est pas évitée ce qui menace un bon approvisionnement en liquide vers la zone de vaporisation. Mais on constate que les interfaces de vaporisation connues ne permettent pas de traiter un flux thermique surfacique au-delà de 20 Watts/cm2 car les coefficients d'échange thermique se dégradent très fortement avec l'accroissement de la densité de flux de chaleur du fait d'un enfoncement du front de vaporisation à l'intérieur de la mèche primaire. Or, il s'avère que les besoins sont désormais plus importants c'est pourquoi les inventeurs ont cherché à optimiser l'interface de vaporisation des évaporateurs dans les boucles de transfert thermique à fluide de travail diphasique. Dans ce but, l'invention a pour objet un évaporateur à capillaire pour système de transfert thermique, 25 l'évaporateur comprenant : - un organe de réception (1) des calories comprenant une base (10) et une pluralité de projections (11), chaque projection s'étendant à partir de la base jusqu'à un sommet (12), et dont la taille décroît avec l'éloignement par 30 rapport à la base, chaque projection ayant des flancs latéraux (13), - une mèche primaire (2) en premier matériau poreux et présentant une face frontale (20) adjacente au sommet des projections, les flancs latéraux des projections délimitant 35 avec la mèche primaire des espaces vides formant des canaux 3065279 3 de vapeur (4) , caractérisé en ce que les flancs latéraux des projections sont revêtus d'une couche fine (3) de matériau poreux, de préférence d'un second matériau différent du premier matériau. 5 Par le vocable « couche fine », on entend une couche d'épaisseur inférieure à 1 mm. Les inventeurs ont constaté qu'avantageusement une épaisseur faible associée aux projections concourait à l'obtention d'une bonne performance. 10 Avantageusement, le fluide en phase liquide est pompé par capillarité depuis la mèche primaire jusque dans la couche fine qui revêt les projections à l'endroit duquel la vaporisation a lieu ; la surface d'échange est augmentée. Grâce à ces dispositions, on obtient une interface 15 d'évaporation capable de traiter un flux thermique supérieur à 50 Watts/cm2, avec des coefficients d'échanges thermiques W/(m2K) bien supérieurs à ceux de l'art connu et, en fonction des différentes configurations possibles l'interface d'évaporation sera même capable de traiter 20 plusieurs dizaines, voire centaines, de Watts/cm2. Aussi, on remarque que dans la zone du sommet des projections, le flux thermique transféré directement à la mèche primaire est fortement réduit vis-à-vis du flux thermique total (on vaporise principalement sur les flancs) et par conséquent on évite de créer un phénomène d'ébullition dans la zone de contact avec la mèche, autrement dit on évite la surchauffe de la mèche primaire. Ainsi on limite le transfert de flux parasite à la fois en limitant très fortement la pénétration du front de vaporisation dans la mèche primaire et aussi en limitant la surchauffe de l'organe de réception tout en favorisant l'extraction de la vapeur crée dans les canaux dédiés. Dans divers modes de réalisation de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à 35 l'autre des dispositions suivantes : 3065279 4 Selon une option, la couche fine peut présenter une épaisseur substantiellement uniforme. Selon cette configuration, on peut prévoir un procédé de fabrication et d'assemblage relativement simple en utilisant une trame 5 tissée métallique qui soit intimement liée à la surface de l'organe de réception. Selon une option, la couche fine peut présenter une épaisseur non uniforme, la partie la plus épaisse (31) de la couche fine étant disposée au contact de la mèche 10 primaire au voisinage du sommet de chaque projection, et l'épaisseur (EC) de ladite couche fine diminuant en s'éloignant de la mèche primaire. Cette configuration permet d'obtenir une performance globale meilleure en termes de puissance dissipée par unité de surface. 15 Selon une option, l'organe de réception des calories peut comporter une plaque, ce qui correspond à une configuration plane pour la source de chaleur à refroidir. Selon une autre option, l'organe de réception des calories peut être formé généralement comme un cylindre, ce qui peut 20 correspondre à une configuration cylindrique pour la source de chaleur à refroidir, qui se trouve être aussi courante que la configuration à plat. Cette configuration cylindrique est courante lors de l'emploi d'un fluide à haute pression, comme l'ammoniac pour les applications 25 spatiales ; dans ce cas on peut avoir une semelle plane, généralement en aluminium, assemblée sur la surface externe de l'évaporateur cylindrique. Selon une option, les projections peuvent être avantageusement formées sous forme de nervures rectilignes 30 de section trapézoïdale (voire triangulaire); l'organe de réception des calories est ainsi facile à fabriquer par extrusion ou usinage simple (fraisage). Par ailleurs, une telle section trapézoïdale permet une transmission robuste des efforts mécaniques, en particulier induits par l'assemblage en compression des modules de puissance sur 3065279 5 l'évaporateur par vissage (ce que ne permettent pas les ailettes conventionnelles fines qui présentent une épaisseur sensiblement constante sur leur hauteur, en particulier avec le cuivre). 5 Selon une option, les projections sont adjacentes les unes aux autres et chaque canal de vapeur (4) présente une section généralement triangulaire avec une de ses pointes dirigée vers la base de l'organe de réception. La densité des zones recouvertes par la couche fine est ainsi 10 maximisée et par conséquent les échanges thermiques aussi, pour une surface globale disponible donnée. Selon une option, la section des projections forme un trapèze isocèle symétrique (autrement dit une « dent »), avec le petit côté ayant une longueur au plus de 20 % par 15 rapport à la longueur du grand côté. Autrement dit D3 45°. 20 De préférence, on pourra choisir pour demi-angle d'ouverture au sommet a compris entre 5° et 30°. Selon un exemple de réalisation particulier, le petit côté D3 aura une taille REVENDICATIONS1. Évaporateur à capillaire pour système de transfert thermique, l'évaporateur comprenant : - un organe de réception (1) des calories comprenant une base (10) et une pluralité de projections (11), chaque projection s'étendant à partir de la base jusqu'à un sommet (12), et dont la taille décroît avec l'éloignement par rapport à la base, chaque projection ayant des flancs latéraux (13), - une mèche primaire (2) en premier matériau poreux et présentant une face frontale (20) adjacente au sommet des projections, les flancs latéraux des projections délimitant avec la mèche primaire des espaces vides formant des canaux de vapeur (4), caractérisé en ce que les flancs latéraux (13) des projections sont revêtus d'une couche fine (3) de matériau poreux, de préférence d'un second matériau différent du premier matériau. 2. Évaporateur selon la revendication 1, dans lequel la couche fine (3) présente une épaisseur substantiellement uniforme. 3. Évaporateur selon la revendication 1, dans lequel la couche fine (3) présente une épaisseur non uniforme, la partie la plus épaisse (31) de la couche fine étant disposée au contact de la mèche primaire au voisinage du sommet de chaque projection, et l'épaisseur (EC) de ladite couche fine diminuant en s'éloignant de la mèche primaire. 4. Évaporateur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les projections sont formées sous forme de nervures rectilignes de section trapézoïdale. 3065279 22 5. Évaporateur selon la revendication 4, dans lequel les projections sont adjacentes les unes aux autres et chaque canal de vapeur présente une section généralement 5 triangulaire avec la pointe dirigée vers la base de l'organe de réception. 6. Évaporateur selon la revendication 5, dans lequel la section est formée comme un trapèze isocèle symétrique, 10 avec une base W et un petit côté D3 tel que D3 7. Évaporateur selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel le demi-angle d'ouverture au sommet a est inférieur 15 à 45° et est de préférence compris entre 5° et 30°. 8. Évaporateur selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la mèche primaire (2) est obtenue à partir d'un premier matériau mauvais conducteur thermique, comme la 20 céramique, l'inox ou le téflon. 9. Évaporateur selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel la couche fine (3) est obtenue à partir d'un second matériau bon conducteur thermique, comme le cuivre, 25 l'aluminium ou le nickel. 10. Évaporateur selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le diamètre des pores de la couche fine (3) est inférieur au diamètre des pores de la mèche primaire (2). 30 11. Système de transfert thermique comprenant un évaporateur selon l'une des revendications précédentes, un condenseur, des conduites fluides avec soit un pompage par gravité à savoir une configuration thermosiphon, soit un pompage uniquement capillaire ou en combinaison avec un jet 3065279 ou un pompage mécanique. 23