Savez-vous que les solutions diphasiques permettent de relever le défi de la gestion thermique des systèmes électroniques ? Ces dispositifs par changement de phase liquide-vapeur ont la capacité de transférer de grandes quantités de chaleur avec une faible différence de température.

Mise en œuvre dans des échangeurs thermiques ou en génie des procédés, l’ébullition libre désigne le processus de transfert thermique d'une paroi chauffée vers un liquide, associé à un changement de phase. Sa maîtrise impose la compréhension des phénomènes fondamentaux régissant l’équilibre des phases liquide-vapeur.

Cet article vise à synthétiser l'état de l'art relatif à deux types de boucles à fluide diphasique utilisées comme dispositifs de contrôle thermique, à savoir les boucles diphasiques gravitaires et les boucles diphasiques à pompage thermocapillaire. Ces boucles se distinguent des caloducs par le fait que la vapeur et le liquide circulent dans des canalisations distinctes. Des éléments de dimensionnement des boucles gravitaires sont présentés : il s'agit principalement de décrire les phénomènes thermohydrauliques diphasiques se produisant à l'évaporateur, au condenseur et dans les canalisations. Une description détaillée des différents organes constituant les boucles capillaires est ensuite proposée. Elle éclaire les difficultés de dimensionnement de ces systèmes, ainsi que leur comportement lors de phases transitoires de démarrage. Un certain nombre d'applications pratiques, souvent liées à l'industrie spatiale, sont enfin décrites.

Pour la conduction de chaleur, différents systèmes sont possibles. On peut citer par exemple l'utilisation de métaux tels que le cuivre et l'aluminium. Toutefois, les caloducs, dont le système de fonctionnement est basé sur le principe du transfert thermique par transition de phase d'un fluide (chaleur latente), permet d'avoir un rendement particulièrement intéressant dans le transport des flux thermiques. Les deux principaux types de caloducs généralement utilisés sont les caloducs capillaires et les thermosiphons diphasiques. Bien que découvert dans les années 30, le principe du caloduc n'a réellement été adopté que depuis quelques dizaines d'années, notamment dans les secteurs de l'aérospatial, du ferroviaire ou de l'électronique de puissance. Ce dossier réalise ainsi un état de l'art de cette technologie, en présentant le principe de fonctionnement, les méthodes de dimensionnement et quelques cas d'application.

Cet article présente le principe de fonctionnement de deux types de systèmes diphasiques de contrôle thermique, à savoir les microcaloducs (ainsi que les diffuseurs thermiques diphasiques qui sont une technologie dérivée de ces systèmes) et les caloducs oscillants. Des exemples de mise en œuvre sont également proposés. Le fonctionnement des caloducs oscillant est complexe et encore mal compris. C'est pourquoi il n'existe pas à ce jour de modèle complet de ces systèmes ni d'outil de dimensionnement fiable, mais uniquement des indications générales empiriques pour évaluer leur plage de fonctionnement. Par contre, en ce qui concerne les microcaloducs et les diffuseurs, un modèle analytique relativement général est détaillé. A l'aide d'un simple tableur informatique, ce modèle permet de calculer le champ de température dans le système en fonction des conditions imposées de flux thermique et des données géométriques du caloduc, ainsi que la puissance thermique transférable maximale.