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
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Valérie SARTRE : Maître de Conférences HDR à l'INSA de Lyon - CETHIL UMR5008 CNRS – INSA – Université Lyon 1
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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
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Vincent AYEL : Maître de Conférences à l'ENSMA - Institut Pprime LET UPR3346 CNRS – ENSMA – Université Poitiers
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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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Conception et dimensionnement
En anglais
4. Limites de fonctionnement
Le fonctionnement des caloducs et des thermosiphons est basé sur la coexistence, dans des conditions proches de l'état de saturation, des phases vapeur et liquide d'un fluide caloporteur. Ainsi, une première condition évidente de fonctionnement est la plage de température du fluide qui est comprise entre le point triple et le point critique (figure 10). Par ailleurs, l'évolution forte des propriétés thermophysiques du fluide avec la température entraîne l'apparition de phénomènes bloquant le flux transféré à une valeur maximale. Nous allons présenter ces limites de fonctionnement par ordre d'apparition lorsque la température d'utilisation augmente.
4.1 Définition de la température de fonctionnement
Afin de visualiser l'importance relative de chaque phénomène, les limites sont comparées sur une courbe donnant la puissance maximale transférable (pour un caloduc donné) en fonction d'une température de référence appelée température de fonctionnement (figure 11). Cette température doit être représentative du fonctionnement du caloduc d'une part, et clairement identifiable quelle que soit la limite de fonctionnement considérée d'autre part. De plus, la possibilité d'accéder à sa mesure expérimentale, dans la plupart des cas, est aussi un élément fondamental. Ainsi, la température de la phase vapeur au milieu de la zone adiabatique est retenue comme température de référence. Cette température de référence est également communément appelée température adiabatique, température vapeur ou température de fonctionnement.
Les deux premières limites (visqueuse et sonique) apparaissent pour des températures situées en début de la plage de fonctionnement et sont liées à la phase vapeur. Puis viennent les deux limites prépondérantes : la limite d'entraînement liée à l'interaction liquide-vapeur pour les thermosiphons et la limite capillaire liée aux capacités de pompage des structures capillaires des caloducs. Enfin, la limite...
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Limites de fonctionnement
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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