Brevet FR3128280A1 — publié le 20230421

Caloduc de type à pompage capillaire avec rainures réentrantes à conductivité thermique augmentée. L’invention consiste essentiellement en un caloduc à rainures réentrantes, qui contrairement aux caloducs selon l’état de l’art à section transversale interne identique sur toute la longueur du caloduc, présente des parois entre canaux liquides qui sont épaissies dans l’évaporateur, et avantageusement dans le condenseur. Figure pour l’abrégé : Fig.3A Caloduc de type à pompage capillaire avec rainures réentrantes à conductivité thermique augmentée. La présente invention concerne un caloduc à pompage capillaire à rainures réentrantes. La présente invention vise à améliorer la conductivité thermique d’un tel caloduc. Un caloduc comporte une enceinte hermétiquement close, un fluide de travail et un réseau capillaire. Lors de la fabrication, tout l'air présent dans le tube caloduc est évacué et on introduit une quantité de liquide pur permettant de saturer le réseau capillaire. Il y a alors établissement d'un équilibre entre la phase liquide et la phase vapeur. Sous l'effet d'une source chaude appliquée dans une zone à l'une des extrémités longitudinales, désignée évaporateur, le liquide se vaporise en induisant une légère surpression qui provoque le mouvement de la vapeur vers une zone à l’autre extrémité longitudinale, désignée condenseur. Au condenseur, la vapeur se condense et repasse en phase liquide. Le fluide condensé circule dans le réseau capillaire et revient vers l’évaporateur sous l'effet de forces capillaires, lorsque le caloduc n’est pas soumis à la gravité. Le retour du fluide liquide du condenseur à l’évaporateur est obtenu par pompage capillaire. Les caloducs à rainures fonctionnent sur le principe du pompage capillaire. Ils comportent un tube, dans lequel la surface intérieure comporte des rainures axiales/longitudinales [1] ou légèrement en forme de spirale. Les caloducs à rainures comportent un cœur vapeur et un réseau capillaire dans lequel circule le liquide. Du fait d'une variation de courbure de l'interface liquide-vapeur entre la zone condenseur et la zone évaporateur, un gradient de pression apparaît dans le liquide, qui mène à une variation de pression capillaire. Plus la largeur des rainures est petite, plus l'effet de pompage capillaire est important. Par ailleurs, des rainures profondes permettent d'obtenir une section de passage pour le retour liquide grande, et donc de minimiser la perte de pression. La puissance maximale que peuvent transporter des caloducs à rainures est généralement fixée par la limite capillaire dont le terme moteur est la pression capillaire, et le terme limitant essentiellement la perte de pression liquide dans les rainures et, dans une moindre mesure les pertes de charge de l’écoulement vapeur. Les caloducs à rainures réentrantes sont des exemples particuliers de caloducs à rainures, dans lesquelles les rainures présentent un canal de liaison étroit par rapport au reste de la rainure, ce qui permet d'augmenter l'effet de pompage capillaire tout en limitant les pertes de charge. Ces caloducs sont utilisés principalement dans le domaine spatial, par exemple pour la régulation thermique dans les satellites et/ou les engins spatiaux. Les techniques de réalisation connues des caloducs à rainures, et notamment des caloducs à rainures réentrantes, ne permettent pas d'obtenir des rainures ayant une profondeur sensiblement plus grande que leur largeur. Ces caloducs sont réalisés essentiellement par extrusion. Avec une telle technique, le rapport profondeur sur largeur de rainures rectangulaires est de l'ordre de 1. Dans le cas des rainures réentrantes, les contraintes de fabrication sont encore plus draconiennes, limitant la largeur, la longueur du rétrécissement et la section de la partie réentrante. Une autre technique utilise l'usinage mécanique, avec cette technique également le rapport profondeur sur largeur n'est pas sensiblement supérieur à 1. En outre, cette technique a un prix de revient relativement élevé et n'est pas adaptée à la fabrication en moyenne et grande série. Une autre technique utilise la gravure chimique. Mais elle ne permet pas non plus d'avoir un rapport profondeur sur largeur important. Pour pallier ces inconvénients, la demanderesse a proposé dans la demande de brevet EP3553445A1 un caloduc réalisé par empilement de plaques solidarisées entre elles avec étanchéité, dont les plaques d'extrémité formant des plaques de fermeture et les plaques intercalaires sont structurées, de sorte que leur empilement délimite des rainures réentrantes s'étendant sur toute la longueur du caloduc. Les plaques peuvent être assemblées par différentes techniques de soudure, brasure ou collage. Dans le cas de caloducs rainurés, les axes de recherche identifiés par les inventeurs, pour améliorer la conductivité thermique, se focalisent sur les caractéristiques du fluide de travail, notamment par l’utilisation de nano-fluides avec uniquement avec de l’eau comme fluide de travail: [2] ou par l’utilisation de fluides dits remouillants, c’est-à-dire des fluides dont la tension de surface augmente avec la température : [3] ou auto-remouillants [4]. Les auteurs de la publication [5] ont montré que l’effet principal des nanofluides était en réalité la modification de l’état de surface à l’évaporateur du caloduc. Il existe un besoin pour améliorer encore les caloducs à rainures, plus particulièrement les caloducs à rainures réentrantes, et ce afin d’en optimiser le fonctionnement, d’améliorer leurs performances et d’étendre leurs domaines de fonctionnement, plus particulièrement d’augmenter leur conductivité thermique. Le but général de l'invention est alors de répondre au moins en partie à ce besoin. Pour ce faire, l’invention a tout d’abord pour objet un caloduc à rainures réentrantes, s’étendant le long d’une première direction longitudinale (X), comprenant une enceinte étanche s’étendant entre une première extrémité longitudinale, destinée à être échauffée par une source chaude pour former, au sein de l’enceinte, un évaporateur et une deuxième extrémité longitudinale destinée à être refroidie par une source froide pour former, au sein de l’enceinte, un condenseur, l’enceinte étanche délimitant une zone adiabatique entre l’évaporateur et le condenseur, l’enceinte comprenant un empilement de plaques selon une deuxième direction (Z) orthogonale à la première direction (X), l’empilement comprenant deux plaques de fermeture, au moins un nombre de n modules les uns sur les autres avec n étant un entier >1, chaque module comprenant au moins une plaque intercalaire entre les plaques de fermeture, la ou les plaques intercalaires comprenant au moins une première plaque intercalaire comportant au moins une fenêtre dont les bords délimitent en partie un canal vapeur s’étendant le long de la première direction (X) entre l’évaporateur et le condenseur, dans lequel la vapeur est destinée à circuler, et sur au moins un côté latéral de la fenêtre selon une troisième direction (Y) orthogonale aux première (X) et deuxième (Z) directions, au moins une structuration dont les bords délimitent en partie un canal liquide dans l’évaporateur et le condenseur, au moins la première plaque intercalaire délimitant un canal de liaison reliant le canal vapeur et le canal liquide au moins dans l’évaporateur et le condenseur. Selon l’invention, les structurations et plaques intercalaires des n modules définissent un canal vapeur unique et sur au moins un côté latéral du canal vapeur, n canaux liquides, les parois entre canaux liquides sont d’épaisseur progressivement augmentée dans l’évaporateur, depuis la zone adiabatique. Selon un mode de réalisation avantageux, les parois entre canaux liquides sont d’épaisseur progressivement augmentée dans le condenseur, depuis la zone adiabatique. Avantageusement, la longueur, selon la troisième direction Y, des canaux de liaison liquide-vapeur étant progressivement augmentée dans l’évaporateur, depuis la zone adiabatique. Avantageusement encore la longueur, selon la troisième direction Y, des canaux de liaison liquide-vapeur étant progressivement augmentée dans le condenseur, depuis la zone adiabatique. Selon une variante de réalisation avantageuse, les structurations sont seulement d’un côté latéral de la fenêtre délimitant le canal vapeur. De manière alternative, les structurations peuvent être sur chacun des deux côtés latéraux de la fenêtre, en regard l’un de l’autre. Avantageusement, la section transversale dans un plan YZ du canal vapeur, de préférence rectangulaire, est constante sur toute la longueur X du caloduc. L’invention a également pour objet un système comprenant : - une source froide (SF) ; - une source chaude (SC) et - au moins un caloduc à rainures réentrantes tel que décrit précédemment, le caloduc étant agencé de sorte que le flux de chaleur de la source chaude (SC) sur l’évaporateur, et l'extraction de chaleur au condenseur vers la source froide (SF) étant sur au moins une face latérale de l’enceinte en regard des canaux liquides, ou sur une face latérale perpendiculaire à ceux-ci. Ainsi, l’invention consiste essentiellement à proposer un caloduc à rainures réentrantes, qui contrairement aux caloducs selon l’état de l’art à section transversale interne identique sur toute la longueur du caloduc, présente des parois entre canaux liquides qui sont épaissies dans l’évaporateur, et avantageusement dans le condenseur. Même si cet épaississement dégrade un peu la limite capillaire, il a l’avantage de repousser la limite d’ébullition et d’améliorer la conductance du caloduc au niveau de l’évaporateur, et donc la conductance totale, en améliorant le chemin thermique entre source chaude et fluide. Pour améliorer la conductivité thermique d’un caloduc, les inventeurs de la présente invention sont repartis d’une modélisation thermique. De fait, la résistance thermique globale d’un caloduc peut être évaluée en faisant une analogie de réseau de résistances thermiques indépendantes. Un tel réseau est schématisé en dans laquelle un flux de chaleur Q émis par une source chaude SC doit être évacué par un caloduc jusqu’à une source froide. D’un point de vue thermique, le caloduc peut être considéré comme un ensemble d’un nombre de onze résistances thermiques R1 à R11 en série et/ou en parallèle comme représenté sur cette . Les résistances axiales de la paroi extérieure R10 et du réseau capillaire R11 sur la longueur du caloduc sont immenses. Par conséquent, le chemin du flux thermique privilégié est celui passant par la section de circulation de la vapeur. Ce chemin est constitué de cinq résistances différentes, comme suit : - la résistance entre la source extérieure et la paroi R1, R9 respectivement à l’évaporateur et au condenseur; - la résistance de la paroi extérieure R2, R8 respectivement à l’évaporateur et au condenseur; - la résistance des canaux liquides (réseau capillaire) R3, R7 respectivement à l’évaporateur et au condenseur ; - la résistance de l’interface entre liquide et vapeur R4, R6 respectivement à l’évaporateur et au condenseur et - la résistance de l’écoulement de vapeur R5. Sur ce chemin, la résistance thermique limitante est celle des canaux liquides (réseau capillaire), respectivement à l’évaporateur et au condenseur (R3, R7). Pour l’évaporateur, l’auteur de la publication [6] a proposé un modèle de résistance thermique avec un chemin à travers le liquide dans la rainure en parallèle d’un chemin conductif dans la dent puis dans le film d’évaporation. Dans ce modèle très conservatif, la conductivité équivalente du film est donnée par une formule empirique selon l’équation 1 : [Equation 1] Dans un caloduc à parois en aluminium et rempli d’ammoniac en tant que fluide de travail, étant donné l’écart de conductivité thermique entre l’ammoniac liquide (0,4 W/m/K) et l’aluminium (150 W/m/K), le chemin privilégié du flux thermique entre la source chaude et la vapeur va passer par les parois métalliques entre canaux liquides. Le même schéma se produit au condenseur, où le chemin privilégié du flux thermique entre la vapeur et la source froide va passer par les parois entre canaux. Il ressort donc que, pour augmenter la conductance thermique à l’évaporateur et au condenseur, il est avantageux que les parois entre canaux liquides aient une section la plus élevée possible. Les inventeurs de la présente invention ont analysé qu’avec la réalisation des caloducs à rainures réentrantes selon la demande de brevet EP3553445, qui consiste à empiler puis assembler entre elles des plaques métalliques poinçonnées ou usinées pour définir les différents canaux de caloduc, ils pouvaient avantageusement épaissir les parois entre canaux à l’évaporateur et au condenseur pour augmenter la conductivité thermique d’un caloduc. Du fait du mode de réalisation du caloduc selon l’invention, il est possible de limiter l’épaississement des parois inter-canaux aux seules zones de l’évaporateur et du condenseur, qui sont de longueur limitée, et dans lesquelles le débit de fluide n’est pas à son maximum, ce qui permet de diminuer l’impact négatif sur la limite capillaire. L’invention apporte de nombreux avantages parmi lesquels on peut citer ceux par rapport la demande de brevet EP3553445, comme suit: - augmentation de la conductance thermique du caloduc, - augmentation de la limite d’ébullition du caloduc. Etant donné que les trois zones d’un caloduc selon l’invention (évaporateur, zone adiabatique, condenseur) n’ont pas la même section transversale interne, des caloducs différents devront être réalisés pour deux applications dont les longueurs des trois zones diffèrent, ce qui n’est pas favorable d’un point de vue coût de réalisation. Mais, dans le cas de systèmes embarqués, plus particulièrement dans le domaine spatial, ce désavantage est compensé par de meilleures performances. L’invention s’applique à bon nombre de domaines dans lesquels un système notamment électronique doit être géré thermiquement, mais en particulier pour les systèmes embarqués du domaine spatial à thermaliser. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes. la est une représentation symbolique d’un réseau de résistances thermiques qui s’établissent pour un caloduc. la est une vue schématique de côté d’un exemple de caloduc à rainures réentrantes selon l’invention. et les figures 2A et 2B sont des vues en perspective et en coupe transversale respectivement selon A-A et B-B, de l’évaporateur d’un caloduc à rainures réentrantes selon la . la est une vue en perspective et en coupe transversale selon C-C de la zone adiabatique d’un caloduc à rainures réentrantes selon la . la est une vue en perspective et en coupe transversale selon D-D du condenseur d’un caloduc à rainures réentrantes selon la . la est une vue en perspective et en coupe transversale selon E-E du condenseur d’un caloduc à rainures réentrantes selon la . et les figures 3A et 3B sont des vues en perspective et en coupe transversale de l’évaporateur d’un caloduc à rainures réentrantes selon l’invention, ces figures montrant la diminution de la largeur des parois séparant les canaux liquides depuis l’extrémité du caloduc jusque vers la zone adiabatique, et également la diminution de la longueur du canal de liaison ainsi que l’augmentation de la longueur selon l’axe Y des canaux liquides. la illustre sous forme de courbes les limites capillaires obtenues pour un caloduc à rainures réentrantes respectivement selon l’invention et selon l’état de l’art. la illustre, en vue en perspective et en coupe transversale, un autre mode de réalisation de caloduc à rainures réentrantes selon l’invention dont chacun des deux côtés latéraux comprend six canaux liquides dans les condenseur et évaporateur. , , , , , , , , , , , , , , , , , les figures 6 à 11B illustrent différentes possibilités d’agencement des canaux liquides de l’évaporateur et du condenseur d’un caloduc selon l’invention, relativement aux sources chaude et froide. Caloduc à rainures réentrantes (1), s’étendant le long d’une première direction longitudinale (X), comprenant une enceinte étanche (2) s’étendant entre une première extrémité longitudinale (3), destinée à être échauffée par une source chaude SC pour former, au sein de l’enceinte, un évaporateur et une deuxième extrémité longitudinale (4) destinée à être refroidie par une source froide SF pour former, au sein de l’enceinte, un condenseur, l’enceinte étanche délimitant une zone adiabatique entre l’évaporateur et le condenseur, l’enceinte comprenant un empilement de plaques (10) selon une deuxième direction (Z) orthogonale à la première direction (X), l’empilement comprenant deux plaques de fermeture, au moins un nombre de n modules les uns sur les autres avec n étant un entier >1, chaque module comprenant au moins une plaque intercalaire entre les plaques de fermeture, la ou les plaques intercalaires comprenant au moins une première plaque intercalaire (10) comportant au moins une fenêtre dont les bords délimitent en partie un canal vapeur (20) s’étendant le long de la première direction (X) entre l’évaporateur et le condenseur, dans lequel la vapeur est destinée à circuler, et sur au moins un côté latéral de la fenêtre selon une troisième direction (Y) orthogonale aux première (X) et deuxième (Z) directions, au moins une structuration dont les bords délimitent en partie un canal liquide (21.1 à 21.6) dans l’évaporateur et le condenseur, au moins la première plaque intercalaire délimitant un canal de liaison (22) reliant le canal vapeur et le canal liquide au moins dans l’évaporateur et le condenseur, les structurations et plaques intercalaires des n modules définissant un canal vapeur unique (20) et sur, le au moins un côté latéral du canal vapeur, n canaux liquides (21.1 à 21.6), les parois entre canaux liquides étant d’épaisseur progressivement augmentée dans l’évaporateur, depuis la zone adiabatique. Caloduc à rainures réentrantes selon la revendication 1, les parois entre canaux liquides étant d’épaisseur progressivement augmentée dans le condenseur, depuis la zone adiabatique. Caloduc à rainures réentrantes selon la revendication 1 ou 2, la longueur, selon lea troisième direction Y, des canaux de liaison liquide-vapeur étant progressivement augmentée dans l’évaporateur, depuis la zone adiabatique. Caloduc à rainures réentrantes selon l’une des revendications précédentes, la longueur, selon la troisième direction Y, des canaux de liaison liquide-vapeur étant progressivement augmentée dans le condenseur, depuis la zone adiabatique. Caloduc à rainures réentrantes selon l’une des revendications précédentes, les structurations étant seulement d’un côté latéral de la fenêtre délimitant le canal vapeur. Caloduc à rainures réentrantes selon l’une des revendications 1 et 2, les structurations étant sur chacun de deux côtés latéraux de la fenêtre, en regard l’un de l’autre. Caloduc à rainures réentrantes selon l’une des revendications précédentes, la section transversale dans un plan YZ du canal vapeur, de préférence rectangulaire, étant constante sur toute la longueur X du caloduc. Système comprenant : - une source froide (SF) ; - une source chaude (SC) et - au moins un caloduc à rainures réentrantes selon l’une des revendications précédentes, le caloduc étant agencé de sorte que le flux de chaleur de la source chaude (SC) sur l’évaporateur, et l'extraction de chaleur au condenseur vers la source froide (SF) étant sur au moins une face latérale de l’enceinte en regard des canaux liquides, ou sur une face latérale perpendiculaire à ceux-ci.