Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
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.
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Lire l’articleAuteur(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 : Professeur 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 : Professeur à l'ENSMA - Institut Pprime UPR3346 CNRS – ENSMA – Université de Poitiers
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Cyril ROMESTANT : Ingénieur de Recherche au CNRS - Institut Pprime UPR3346 CNRS – ENSMA – Université de Poitiers
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Vincent AYEL : Maître de Conférences à l'ENSMA - Institut Pprime UPR3346 CNRS – ENSMA – Université de Poitiers
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Vincent PLATEL : Maître de Conférences HDR à l'Université de Pau et des Pays de l'Adour - LaTEP, Université de Pau et des Pays de l'Adour - Ce dossier a été préparé dans le cadre des activités du GdR 2613 du CNRS « Systèmes de refroidissement diphasique » (SYREDI).
INTRODUCTION
Les caloducs capillaires conventionnels et les thermosiphons diphasiques, décrits dans le dossier [BE 9 545] sont des systèmes de contrôle thermique bien maîtrisés. Ils ont connu un fort développement depuis les années 1960-1970, ont été mis en œuvre pour de nombreuses réalisations pratiques dans les années 1990, et peuvent être maintenant considérés comme des technologies matures. Néanmoins, ils présentent un certain nombre de limitations liées aux structures capillaires ou aux caractéristiques des écoulements liquide-vapeur qui régissent leur fonctionnement.
Le développement de l'électronique impose avec le temps une miniaturisation des systèmes à refroidir toujours plus exigeante, tandis que les puissances thermiques à dissiper augmentent. Il s'ensuit une augmentation extrêmement rapide des densités de flux à transférer, qui atteignent aujourd'hui des valeurs qui ne sont plus compatibles avec la technologie des caloducs conventionnels. De plus, leurs performances en matière d'homogénéisation des champs de température sont parfois trop faibles vis-à-vis des contraintes industrielles.
C'est pour répondre à ces nouveaux enjeux que sont apparus de nouveaux concepts de systèmes de refroidissement diphasiques, comme les boucles diphasiques à pompage capillaire ou les boucles diphasiques gravitaires. Ces boucles se distinguent des caloducs par le fait que la vapeur et le liquide circulent dans des canalisations distinctes et non pas ensemble (cas du liquide en équilibre avec la vapeur). Leurs technologies sont actuellement à un stade de développement, de validation de prototypes, ou de réalisations de courtes séries, notamment dans le domaine spatial. Dans le même temps, les microcaloducs et diffuseurs thermiques diphasiques ont connu un véritable essor y compris à l'échelle industrielle, tandis que les caloducs oscillants ont été l'objet de recherches académiques. Ces deux derniers types de systèmes de refroidissement diphasiques sont abordés dans le dossier suivant [BE 9 547].
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Boucles fluides diphasiques à pompage thermocapillaire (BFDPT)
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1. Boucles diphasiques gravitaires
Une boucle diphasique gravitaire est une enceinte étanche contenant un fluide diphasique en équilibre liquide-vapeur. Elle comporte un évaporateur, un condenseur et deux tubes de liaison (figure 1). Le liquide s'évapore au niveau de la zone chauffée et la vapeur vient se condenser au niveau de la zone refroidie. La masse volumique du fluide dans le tube descendant, riche en liquide, étant supérieure à celle du tube ascendant, riche en vapeur, il se crée une force d'Archimède entre les deux volumes de fluide. Si le condenseur est placé au-dessus de l'évaporateur, cette force permet la circulation du fluide dans la boucle sous l'action motrice de la pesanteur.
En régime permanent, la modélisation d'une boucle diphasique gravitaire a pour but de déterminer, pour un fluide de travail et une géométrie donnés et dans les conditions de fonctionnement envisagées, les limites de fonctionnement de la boucle, ainsi que la température maximale de la paroi de l'évaporateur. Les principales limites de fonctionnement de la boucle sont celles d'assèchement et d'ébullition, analogues à celles rencontrées dans les thermosiphons diphasiques. Pour cela, il est nécessaire de calculer le débit-masse du fluide, les pertes de pression, l'évolution du taux de vide, les températures du fluide et des parois. On distingue les modèles hydrauliques isothermes des modèles thermiques :
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les modèles hydrauliques isothermes nécessitent la résolution des équations de bilan du fluide ou utilisent des formulations globales en distinguant les zones monophasiques et diphasiques ;
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les modèles thermiques sont, quant à eux, basés sur l'analogie électrique. Ces modèles sont toutefois souvent couplés pour prédire le comportement de boucles diphasiques gravitaires ou pour les dimensionner.
1.1 Modèle hydraulique isotherme
Pour une boucle fermée, la somme des pertes de pressions par frottement dues à la gravité et à l'accélération doit être nulle :
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Boucles diphasiques gravitaires
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - RAO (N.M.), SEKHAR (C.C.), MAITI (B.), DAS (P.K.) - Steady-state performance of a two-phase natural circulation loop. - Int. Comm. Heat Mass Transfer, 33, p. 1042-1052 (2006).
-
(2) - HAIDER (S.I.), JOSHI (Y.H.), NAKAYAMA (W.) - A natural circulation model of the closed loop, two-phase thermosyphon for electronics cooling. - J. Heat Transfer, 124, p. 881-890 (2002).
-
(3) - KHODABANDEH (R.) - Pressure drop in riser and evaporator in an advanced two-phase thermosyphon loop. - Int. J. Refrig., 28, p. 725-734 (2005).
-
(4) - COLLIER (J.G.), THOME (J.R.) - Convective boiling and condensation. - Oxford Science Publications (1996).
-
(5) - KHODABANDEH (R.) - Heat transfer in the evaporator of an advanced two-phase thermosyphon loop. - Int. J. Refrig., 28, p. 190-202 (2005).
-
(6) - RHI (S.H.) - An experimental and analytical (simulation) study on...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
International Heat Pipe Conference (IHPC). Périodicité : 2 à 3 ans
14e édition : Florianopolis, Brésil, 22-27 avril 2007 http://www.lepten.ufsc.br/~14ihpc
15e édition : Clemson (SC), USA, 25-30 avril 2010 http://www.clemson.edu/15ihpc
16e édition : Lyon, France, 21-25 mai 2012
17e édition : Kanpur, Inde, Automne 2014
HAUT DE PAGE2.1 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/
CEA – Service des Basses Températures (SBT) http://www.cea.fr et http://inac.cea.fr/sbt/
EADS Astrium, France
Euro Heat Pipe (EHP), Belgique ...
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