Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
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.
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Various systems of heat conduction are available, the use of metals such as copper and aluminum. However, heat pipes, the functioning of which is based upon the principle of thermal transfer through a phase transition of a fluid (latent heat), allows for obtaining a significant yield in the transport of heat fluxes. The two mostly used main types of heat pipes are capillary heat pipes and two-phase thermosyphons. Although it was discovered in the 30s, the principle of the heat pipe was not adopted until the last few decades, notably in the airspace, rail and power electronics sectors. This article presents this state-of-the-art technology, its functioning principles, dimensioning methods and several application cases.
Auteur(s)
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Jocelyn BONJOUR : Professeur à l'INSA de Lyon - CETHIL UMR5008 CNRS – INSA – Université Lyon 1
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Frédéric LEFÈVRE : Maître de Conférences HDR à l'INSA de Lyon - CETHIL UMR5008 CNRS – INSA – Université Lyon 1
-
Valérie SARTRE : Maître de Conférences HDR à l'INSA de Lyon - CETHIL UMR5008 CNRS – INSA – Université Lyon 1
-
Yves BERTIN : Maître de Conférences HDR à l'ENSMA - Institut Pprime LET UPR3346 CNRS – ENSMA – Université Poitiers
-
Cyril ROMESTANT : Ingénieur de Recherche au CNRS - LET UMR6608 CNRS – ENSMA – Université Poitiers
-
Vincent AYEL : Maître de Conférences à l'ENSMA - Institut Pprime LET UPR3346 CNRS – ENSMA – Université Poitiers
-
Vincent PLATEL : Maître de Conférences à l'Université de Pau et des Pays de l'Adour - LaTEP, Université de Pau et des Pays de l'Adour -
INTRODUCTION
Bien meilleurs conducteurs que les métaux, les caloducs sont des systèmes thermiques qui peuvent transporter une quantité de chaleur égale à plusieurs centaines ou milliers de fois celle transportée par un conducteur métallique solide et homogène de même volume sous un même écart de température.
Mettant en jeu l'évaporation et la condensation d'un fluide interne, le caloduc peut être conçu à différentes fins :
-
transmettre des flux thermiques élevés avec un faible écart de température ;
-
transmettre un flux thermique variable à température constante ;
-
uniformiser la température d'une structure soumise à des variations de température ;
-
adapter la densité de flux thermique entre une source chaude et une source froide de surfaces très différentes.
Breveté en 1942, le caloduc est oublié jusqu'au début des années 1960 où il est redécouvert pour les besoins de la technologie spatiale. Appelé aussi quelquefois tube de chaleur, en anglais « Heat-Pipe », il a pour ancêtre le tube de Perkins, sorte de bouilleur en circuit fermé, inventé au XIXe siècle par A.M. et J. Perkins.
Deux familles de caloducs sont aujourd'hui matures : les caloducs capillaires et les thermosiphons diphasiques. Depuis une quinzaine d'années, de nouveaux types de caloducs ont connu d'importants développements et émergent progressivement : il s'agit des microcaloducs, des boucles diphasiques et des caloducs oscillants, qui sont présentés dans le dossier [BE 9 546] « Systèmes diphasiques de contrôle thermique. Boucles diphasiques, capillaires et gravitaires » et dans le dossier [BE 9 547] « Systèmes diphasiques de contrôle thermique. Microcaloducs et caloducs oscillants ».
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5. Conception et dimensionnement
En régime permanent, le principe de calcul d'un caloduc au sein d'un dispositif thermique consiste à déterminer sa température et le flux thermique qu'il doit véhiculer, puis à s'assurer que ce point (température, flux) est bien à l'intérieur du domaine de fonctionnement schématisé sur la figure 11.
Pour cela, il faut après avoir fixé les caractéristiques du caloduc ou du thermosiphon (flux thermique, densités de flux axial et pariétal, longueur, réseau capillaire, etc.) :
-
calculer les flux limites que peut transporter le caloduc ou le thermosiphon en fonction de la température et, notamment pour un caloduc, calculer la limite capillaire qui dépend du réseau capillaire choisi ;
-
calculer la résistance thermique totale du caloduc ou du thermosiphon et utiliser ce résultat pour déterminer la température et le flux thermique dans le caloduc ou le thermosiphon au sein du dispositif considéré à l'aide d'un modèle thermique ;
-
vérifier que les valeurs ainsi trouvées (température, flux thermique) ne sont pas hors des limites de fonctionnement, sinon modifier en conséquence les caractéristiques du caloduc ou du thermosiphon.
La modélisation de ces limites, en régime permanent, est assez bien décrite et la comparaison des simulations avec l'expérience est correcte et permet d'appréhender l'ordre de grandeur des limites, quoique les solutions soient encore parfois obtenues au prix de simplifications importantes. Néanmoins, l'utilisation de ces modèles analytiques est souvent suffisante lorsque l'on s'intéresse à un système complet dont le caloduc n'est qu'un élément. La résistance thermique du caloduc est en général faible devant les autres résistances du système, ce qui conduit à un faible impact global d'une forte incertitude sur la résistance thermique du caloduc.
Toutefois, on dispose maintenant de modèles numériques multidimensionnels pour caractériser l'écoulement du fluide interne sous forme liquide et vapeur, et l'écoulement de la chaleur aux frontières du caloduc.
5.1 Comportement d'un caloduc en régime instationnaire
La description du comportement en régime instationnaire relève...
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Conception et dimensionnement
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CHI (S.W.) - Heat pipe, theory and practice. - McGraw Hill (1976).
-
(2) - DUNN (P.D.), REAY (D.A.) - Heat pipes. - 3e Éd., Pergamon Press (1982).
-
(3) - IVANOVSKII (M.N.), SOROKIN (V.P.), YAGODKIN (I.V.) - The physical principles of heat pipes. - Clarendon Press (1982).
-
(4) - PETERSON (G.P.) - Heat pipes modelling, testing and applications. - Wiley & sons (1994).
-
(5) - FAGHRI (A.) - Heat pipe science and technology. - Taylor & Francis (1995).
-
(6) - CAREY (V.P.) - Liquid-Vapor Phase-Change Phenomena. - Hemisphere Publishing Corporation (1992).
-
(7) - ROMESTANT (C.) - Études...
ANNEXES
International Heat Pipe Conference (IHPC). Périodicité 2 à 3 ans :
-
14e édition : Florianopolis, Brésil, 22-27 avril 2007
-
15e édition : Clemson (SC), USA, 25-30 avril 2010
-
16e édition : Lyon, France, printemps 2012
-
17e édition : Kanpur, Inde, automne 2014
2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Advanced Cooling Technologies (ACT), USA http://www.1-act.com/fact.html
ATHERM, France http://www.atherm.com
Bosari Thermal Management, Italie http://www.bosari.com
CIAT, France http://www.ciat.fr
Euro Heat Pipe (EHP), Belgique http://www.ehp.be
Ferraz Shawmut (Thermal Division), anciennement Société DATE, France http://www.ferrazshawmut-thermalmanagement.com
Heat Pipe Technology Inc., USA http://www.heatpipe.com
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